Bài báo đã trình bày tổng thể quy trình thiết kế cho đồng
cơ từ trở và kiểm chứng bằng phần mềm. Các giá trị kích
thước của động cơ được lựa chọn, xác định chi tiết và đầy
đủ. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để kiểm
chứng thiết kế và đánh giá khả năng hoạt động của SRM.
5 trang |
Chia sẻ: huongthu9 | Lượt xem: 665 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Quy trình thiết kế động cơ từ trở, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 59
QUY TRÌNH THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ
SWITCHED RELUCTANCE MOTOR DESIGN PROCESS
Phí Hoàng Nhã1,2, Đào Quang Thủy3, Phạm Hùng Phi1
1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; phihoangnha@gmail.com
2Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; phihoangnha@haui.edu.vn
3Bộ Khoa học và Công nghệ; hvgn.98@gmail.com
Tóm tắt - Động cơ từ trở là động cơ có nhiều ưu điểm nổi bât, dần
trở thành sự lựa chọn trong các hệ thống truyền động tốc độ cao.
Chi phí chế tạo thấp do động cơ từ trở có cấu trúc đơn giản, rotor
không có dây quấn và không có nam châm vĩnh cửu, là yếu tố
quan trọng được ưu tiên so với các loại động cơ khác. Do đó, động
cơ từ trở đòi hỏi một quy trình thiết kế đầy đủ nhằm đáp ứng được
yêu cầu chế tạo. Một quy trình thiết kế cho loại động cơ này được
trình bày chi tiết trong bài báo. Các thông số thiết kế cho động cơ
từ trở loại 6/4 theo quy trình đã được kiểm chứng, đánh giá dựa
trên mô phỏng cấu trúc động cơ và phân tích bằng phương pháp
phần tử hữu hạn.
Abstract - Switched reluctance motor (SRM) with predominant
advantages has become the choice in high speed transmission
systems. The low cost of motor production due to simple structure,
the permanent magnet and winding which are absent in the rotor,
etc are a priority factor compared to other motors. Therefore,
switched reluctance motor requires a design method that meets the
production requirements. A design process for this motor is
presented in detail in the paper. The design parameters for
switched reluctance motor with 6 stator poles and 4 rotor poles are
verified based on the simulation of motor structure and analysis by
finite element method.
Từ khóa - động cơ từ trở; SRM; quy trình thiết kế; phương pháp
thiết kế; phần tử hữu hạn.
Key words - switched reluctance motor; SRM; design process;
design method; finite element method.
1. Giới thiệu
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và điều khiển,
động cơ từ trở (SRM) đang dần trở lên hấp dẫn đối với
nhiều ứng dụng bởi các ưu điểm nổi trội như: cấu tạo đơn
giản, độ bền cao, động cơ hoạt động ở vùng tốc độ lớn.
Rotor không có nam châm vĩnh cửu, không có cuộn dây
nên nhiệt độ cho phép của rotor cao hơn các loại động cơ
khác. Mô men khởi động lớn, hiệu suất cao, không có tác
động của dòng điện trong động cơ tại thời điểm khởi động.
Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và bão
hòa của đường đặc tính từ B-H, sử dụng tối đa khả năng
vật liệu sắt từ.
Hiện nay, việc nghiên cứu thiết kế động cơ từ trở đang
là vấn đề thách thức đối với các nhà khoa học chuyên ngành
điện. Các công trình ngoài nước [1], [2], đưa ra phương
pháp thiết kế SRM một cách tổng quát, chưa đưa ra được
quy trình thiết kế chi tiết. Các nghiên cứu trong nước về
động cơ từ trở còn nghèo nàn, chưa có công trình nào cung
cấp phương pháp thiết kế cho loại động cơ này.
Vì vậy, bài báo cung cấp một quy trình thiết kế động cơ
từ trở đầy đủ, chi tiết. Đồng thời, trang bị những kinh
nghiệm thiết kế cho các kỹ sư, tạo cơ sở nền tảng cho thiết
kế, chế tạo SRM trong nước. Phương pháp thiết kế bao gồm
tính toán thiết kế kích thước sơ bộ cho stator, rotor, kích
thước cuộn dây. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn
cũng được đưa ra để xác minh cho quy trình thiết kế này.
2. Quy trình thiết kế
Trong thiết kế động cơ, dữ liệu quan trọng đầu tiên
được xem xét là công suất, tốc độ, dòng điện và điện áp
định mức. Từ những số liệu ban đầu đó, các kích thước cho
stator và rotor được xác định. Khác với các động cơ thông
thường khác, động cơ từ trở có nhiều kích thước ràng buộc,
được xác định thông qua nhau, theo quy trình một chiều.
Bảng 1 biểu diễn ký hiệu kích thước trong cấu trúc động cơ
từ trở. Quy trình thiết kế được trình bày trong Hình 2.
Hình 1. Cấu trúc động cơ từ trở
Các kích thước chính trong tính toán thiết kế động cơ
từ trở được cho trong Bảng 1.
Bảng 1. Ký hiệu các kích thước trong SRM
D0: đường kính
ngoài stator
D: đường kính
trong stato
Dr: đường kính
ngoài rotor
Dsh: đường kính
trục
ys (c): độ dày gông
stator
hs: chiều cao cực
stator
g: khe hở không
khí giữa
hr: chiều cao cực
rotor
yr: độ dày gông
từ rotor
ts: độ rộng cực
stator
tr: độ rộng cực
rotor
l: chiều dài động
cơ
3. Lựa chọn các kích thước
3.1. Xác định kích thước chính
Khi thiết kế động cơ, dữ liệu cần biết đầu tiên đó là công
suất định mức của động cơ cần thiết kế; tốc độ động cơ;
dòng điện định mức và điện áp nguồn cung cấp. Với tốc độ
và công suất cố định, ta có mô men định mức của động cơ:
2
P
T
n
=
(1)
trong đó T: mô men định mức (Nm);
P: công suất định mức (W);
n: tốc độ định mức (vòng/phút).
60 Phí Hoàng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi
Hình 2. Quy trình thiết kế động cơ từ trở
3.1.1. Đường kính ngoài stator
Trong thiết kế, nếu kích thước máy quá lớn hay quá
nhỏ, kích thước khung khác nhau có thể được dùng. Việc
lựa chọn sơ bộ kích thước khung sẽ tự chỉnh đường kính
ngoài của stator. Thực tế, đường kính ngoài của stator được
tính toán theo công thức như sau:
D0 = (kích thước khung - 3) x 2 (2)
với kích thước khung được đưa ra theo tiểu chuẩn
IEC [3].
3.1.2. Đường kính trong stator và chiều dài động cơ
Kích thước của phần hoạt động trong máy điện phụ
thuộc vào hai yếu tố là yêu cầu mô men và hiệu quả của hệ
thống làm mát. Kích thước máy có thể được giảm bằng
cách cải thiện hệ thống làm mát. Nhưng việc cải thiện hệ
thống làm mát sẽ làm tăng chi phí sản xuất. Điều đó nghĩa
là làm mát phải tương ứng với chi phí chế tạo. Do đó, tham
số duy nhất quyết định đến kích thước động cơ là độ lớn
mô men. Nói chung, các máy điện đều thiết kế từ phương
trình đầu ra, mà liên quan tới đường kính trong stator D,
chiều dài máy l, tốc độ n, từ trường và tải điện. Theo công
thức tính công suất trong tài liệu [4], ta có thể đơn giản hóa
phương trình tính công suất như sau:
2. .
P
T a D l
n
= = (4)
trong đó a là hệ số tính toán.
Ta có quan hệ tỉ lệ giữa đường kính trong stator D và
chiều dài động cơ l, ở đó chiều dài l được coi là bội hoặc
ước của đường kính trong stator D:
l = k x D (5)
Thay thế l trong phương trình (4), kết quả là: Pd ≈ k2 x
D3. Tại các điểm hoạt động: 0,65 < k2 < 0,75.
Từ đây, đường kính trong stator được xác định:
3
2
P
D
k
= (6)
Tỷ lệ k trong l = k x D được quyết định bởi bản chất các
ứng dụng và những ràng buộc nhất định. Đối với các ứng
dụng không trợ lực (không secvo) dải k có thể: 0,25 < k <
0,7; và cho các ứng dụng secvo thường là: 1 < k < 3.
3.1.3. Lựa chọn số cực
Thông thường, các nhà thiết kế xác định số cực stator
(Ns) và số cực rotor (Nr) theo một tỷ lệ và đảm bảo tỷ lệ đó
không phải là số nguyên. Bằng phương pháp thực nghiệm,
các kết hợp phổ biến số cực stator và rotor trong thiết kế
được đưa ra:
Ns 4 6 8 10 12 12
Nr 2 4 6 8 8 10
Số cực stator, rotor sẽ quyết định đến số lượng van bán
dẫn trong bộ điều khiển. Vì vậy, nếu số cực trong động cơ
từ trở tăng làm chi phí sản xuất tăng, đồng thời, các cực
rotor tăng làm tần số stator tăng theo, kết quả là tổn hao lõi
tăng. Tuy nhiên, việc tăng số cực làm độ lớn của mô men
đập mạch giảm đáng kể do nhiều pha dẫn chồng chéo nhau
hơn, dẫn đến tiếng ồn động cơ giảm.
3.1.4. Lựa chọn số pha
Số lượng pha thường được xác định bởi các yếu tố như
khả năng khởi động, khả năng định hướng, độ bền, chi phí,
mật độ công suất hay hiệu suất hoạt động ở tốc độ cao. Lưu ý
rằng, việc lựa chọn số cực, số pha được phân tích đánh giá trên
cơ sở ưu, nhược điểm. Tuy nhiên, số cực, số pha được chọn
theo mặc định như: động cơ 8/6 - 3 pha; động cơ 12/8 - 4 pha.
3.1.5. Lựa chọn góc cực rotor (βr) và góc cực stator (βs)
Việc lựa chọn góc cực stator và rotor là một phần quan
trọng trong thiết kế. Sự lựa chọn góc cực phụ thuộc vào hai
tiêu chí cơ bản gồm yêu cầu tự khởi động và sự hình thành
đặc tính mô men tĩnh với vị trí rotor. Những yêu cầu này
có thể được đưa vào thiết kế động cơ bằng việc tính toán
góc cực stator và rotor tối thiểu để đạt được khả năng tự
khởi động. Ba điều kiện để đảm bảo những yêu cầu trên
gồm: βs > θrs; βr ≥ βs; βr < βs + θfr.
với θrs là góc điện:
2
.
rp
rs
rq q N
= = (rad), trong đó q là số
pha:
2
sNq = và θfr là góc sụt giảm dòng điện tại điều kiện
hoạt động định mức.
Điều kiện βs > θrs được giải thích như sau: Nếu βs < θrs
có thể có một số vị trí mà máy không thể khởi động. Các
điện cảm được lặp lại ở mỗi 2π/Nr (rad). Việc kiểm tra điện
cảm hai pha liên tiếp có thể cung cấp góc nhìn sâu hơn về
sự hình thành mô men, Hình 3. Nếu βs > θrs, khi θ2 > θ1a,
trong đó hàm ý rằng pha b tăng điện cảm trước khi pha a
đạt giá trị lớn nhất và sẽ không có vấn đề trong quá trình
khởi động, một trong những pha có biên dạng điện cảm
tăng. Nếu βs < θrs, khi đó θ2 < θ1a, trong đó hàm ý rằng pha
b có điện cảm tăng chỉ sau khi pha a đạt giá trị lớn nhất và
sẽ có vị trí rotor nhất định khi không có pha nào có biên
dạng điện cảm tăng, điều này có thể gây ra vấn đề trong
quá trình khởi động. Do đó, yêu cầu βs > θrs là điều hợp lý.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 61
Hình 3. Điện cảm với vị trí rotor của hai pha liên tiếp [5]
Điều kiện βr ≥ βs được giải thích như sau: Trong thực
tế, βr ≥ βs được ưu tiên vì nó cung cấp một vùng điện cảm
lớn hơn một chút mà không bị mất đi điện cảm thẳng hàng.
Các tài liệu chỉ ra rằng việc tăng góc cực rotor là nguyên
nhân thay đổi mô men tối đa với vị trí rotor và ảnh hưởng
độ rộng của xung mô men. Mặt khác, nó phải được xem xét
từ khía cạnh cơ khí mà cực stator hẹp có thể dễ dàng kích
thích dao động, đây là nguyên nhân gây tiếng ồn. Làm rộng
góc cực có thể tránh được những vấn đề này nhưng khi đó
khu vực khe nhỏ và tổn hao đồng cao. Khi βr > βs có nhiều
tác động tích cực trong việc điều khiển góc. Với cực rotor
rộng, lực sinh ra lúc khởi động sớm nhưng cũng kết thúc
sớm vì vùng chồng chéo của cực stator, rotor rộng và tại đó
dL/dθ = 0 xung quanh vị trí thẳng hàng. Vì vậy, không có
mô men được sinh ra ngay cả khi có dòng điện.
Hình 4. Ảnh hưởng của góc cực tới việc sinh mô men [4]
Một ưu điểm nổi bật khi βr > βs đó là sự loại bỏ mô men
âm. Bằng việc điều chỉnh góc mở dòng điện, dòng điện
đỉnh có thể được duy trì trong toàn bộ khu vực sinh ra mô
men dương. Điều này sẽ làm mô men trung bình tăng nhiều
hơn so với khi βr = βs. Đây là lợi thế rất tốt ở cả điều kiện
hoạt động tức thời và định mức. Hiệu quả được minh họa
trong Hình 4, trong đó vùng sinh ra mô men và dòng điện
đỉnh các pha được giả định là bằng nhau trong mỗi trường
hợp. Loại bỏ các mô men âm sinh ra làm giảm mô men đập
mạch và do đó giảm tiếng ồn.
Giới hạn trên của góc cực rotor là: βr = βs + θfr, ở đó θfr
là góc sụt giảm dòng điện tại điều kiện hoạt động định mức.
Góc sụt giảm dòng điện có thể cho điều kiện định mức, giả
thiết rằng dòng điện đỉnh stator, tốc độ, điện áp cung cấp là
ở giá trị định mức. Dựa trên đặc tính từ trường tuyến tính,
góc sụt giảm dòng điện được tính theo [4] như sau:
.
tan .ln 1
sn pn
fr
dcn
R I
V
= +
(7)
Nếu như việc tính toán θfr khó khăn, ta có thể sử dụng
điều kiện sau: Đó là góc giữa góc cực rotor liền kề phải lớn
hơn góc cực stator hoặc có sự trùng lặp giữa cực stator và
rotor ở vị trí không thẳng hàng. Điều kiện này được biểu
diễn:
2
r s
rN
− . Nếu trong tính toán, thiết kế không
tuân theo điều kiện này sẽ làm máy khởi động ở biên dạng
điện cảm dương trước khi đạt giá trị nhỏ nhất, dẫn đến giá
trị điện cảm không thẳng hàng cao hơn, dẫn tới mô men
sinh ra thấp.
Một hướng dẫn tốt cho sự lựa chọn phù hợp góc rotor và
góc stator là tiền đề tam giác khả thi Lawrenson. Ba điều
kiện gồm βr > θrs, βr > βs,
2
r s
rN
− có thể biểu diễn trong
một hình vẽ để mô tả một tam giác có tính khả thi này (xét
trong trường hợp SRM 8/6). Nó là cần thiết để góc cực rotor
và góc cực stator nằm trong tam giác này, Hình 5.
Hình 5. Sơ đồ khối của việc lựa chọn góc stator và rotor [5]
Các khu vực bên dưới OE là khu vực đại diện cho điều
kiện 1. Khu vực trên GH là khu vực đại diện cho điều kiện
2. Khu vực dưới DF là đại diện cho điều kiện 3. Nếu βs <
20o → 20o < βr < 40o.
3.2. Thiết kế lõi sắt stator
3.2.1. Bề rộng cực stator
Sau khi xác định được βs, ta tính được bề rộng cực stator
theo công thức:
.sin
2
s
st D
= (8)
3.2.2. Độ dày gông từ stator
Độ dày gông từ stator ys được xác định trên cơ sở của
mật độ từ thông lớn nhất trong nó và được bổ sung điều
kiện khác như giảm độ rung và giảm tiếng ồn âm thanh.
Mật độ từ thông trên gông từ stator được xấp xỉ bằng một
nửa mật độ từ thông trên cực stator. Điều đáng nói là khu
vực của gông từ được chia sẻ giữa các pha khác nhau mà
có thể bị chồng chéo, nó là đề xuất cho chọn độ dày gông
từ stator khoảng 20% ÷ 40% ys. Trong đó, gông từ ys phải
có tối thiểu là 0,5ts. Do cân nhắc về độ bền cơ học và giảm
độ rung, ys có thể có giá trị trong dải:
0,5ts ≤ ys ≤ ts (9)
Nên chọn giá trị cao hơn cho giá trị ys so với mức tối
thiểu của nó. Tài liệu [5] đề xuất:
.
2
s
s ys
t
y k= (1,1 < kys <1,3) (10)
62 Phí Hoàng Nhã,, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi
Tuy nhiên, sự lựa chọn trên với giả thiết mật độ từ thông
trong gông stator bằng 1/2 mật độ từ thông trên cực staor
sinh ra, mà bỏ qua sự rò rỉ từ thông sang các cực khác.
3.2.3. Chiều cao cực stator
Chiều cao cực stator hs càng lớn càng tốt để tối đa hóa
khu vực dây quấn. Chiều cao cực stator tối thiểu xấp xỉ
bằng chiều cao dây quấn, nhưng các cuộn dây cần khoảng
không gian và cần một khoảng trống đủ nhỏ được yêu cầu
gần mặt cực. Vị trí các cuộn dây ở gốc cực thường không
khít, do đó, một vài khoảng trống bổ sung bị mất phải được
tính toán để tính chiều cao cực stator. Xem xét tất cả các
yếu tố này và sự cần thiết giới hạn chiều dài cực, chiều cao
cực trong điều kiện chiều cao dây quấn hc là:
hc < hs <1,4hc (11)
Mặt khác, khi đường kính ngoài stator D0, đường kính
trong stator D đã biết, ta có:
0
1
( 2 )
2
s sh D D y= − − (12)
3.3. Thiết kế cuộn dây
Kích thước chiều cao cực stator liên quan tới kích thước
dây quấn trên cực stator, nên tác giả tính toán thiết kế dây
quấn stator như sau: các rãnh có thể được tính toán bằng cách
phân chia các rãnh stator thành hai phần như Hình 8.
Hình 6. Tính toán diện tích khe stator [2]
Mặt cắt ngang của phần hình thang A (a) có thể được
tính bằng:
1
( ) ( ).
2
sA a a b h= + (13)
Mặt cắt ngang của phân đoạn vòng tròn A(b) trong khe
stator được tính toán với góc α, đó là góc mô tả không gian
tự do giữa hai cực stator tại gông tương ứng bán kính gông
stator là r :
2
( ) ( sin )
2
r
A b = − (14)
Tổng diện tích khe:
Aslot = A(a) + A(b) =
21
( ). ( sin )
2 2
s
r
a b h+ + − (15)
Số vòng mỗi cực:
. 1
2 . . .
s d
p
sp stk s
V
N
p B l t
= =
(16)
Số vòng mỗi pha:
.
2 .
. . .
s d
ph p
sp stk s
V
N p N
B l t
= =
(17)
3.4. Khe hở không khí
Để lựa chọn được chiều dài khe hở không khí, cần đánh
giá được chính xác mức độ ảnh hưởng của khe hở không
khí tới mô men. Ảnh hưởng của chiều dài khe hở không
khí tới mô men điện từ có nguồn gốc [4] như sau:
2
2
1 0
1
8
ph
e
T Dl
T k i
g
=
(18)
Theo (18) ta thấy rằng khe hở không khí nhỏ sẽ sinh ra
mô men lớn (với các kích thước khác không đổi). Hơn nữa,
cần lưu ý rằng trong thực tế các điện cảm thẳng hàng tỷ lệ
nghịch với chiều dài khe hở không khí. Do đó, bất kỳ sự
giảm xuống của khe hở không khí dẫn đến sự gia tăng điện
cảm thẳng hàng.
Sai số sản xuất và khoảng cách khe hở không khí tối thiểu
có thể chế tạo được là hai yếu tố quan trọng thúc đẩy việc
xác định chiều dài khe hở không khí tối thiểu. Các sai số lần
lượt ảnh hưởng đến độ lệch tâm tối đa trong khoảng cách
khe hở không khí phát sinh giữa các cực đối nghịch. Điều
này quyết định độ lớn của lực từ không đồng đều trong rotor,
dẫn đến sự hao mòn trong vòng bi rotor và tuổi thọ của
chúng. Hơn nữa, điều này góp phần gây ra tiếng ồn.
Như vậy, để duy trì sự cân bằng dòng điện pha và tiếng
ồn nhỏ, SRM cần có khe hở không khí tròn đều. Động cơ
này cũng đòi hỏi khe hở không khí nhỏ để tối đa hóa mô
men. Khe hở không khí nhỏ sẽ làm giảm từ trở ở khu vực
chồng chéo của các cực rotor, stator và do đó làm tăng mô
men. Tuy nhiên, độ cong của trục và độ phồng ra của vật
liệu với nhiệt độ tăng phải được xem xét trong quá trình
thiết kế trong điều kiện sai số sản xuất. Cũng vì thế mà khe
hở không khí nên được lựa chọn theo cách như vậy để máy
làm việc đáng tin cậy trong điều kiện hoạt động ở tất cả các
điểm làm việc.
Trong thực tiễn, giá trị đặc trưng của chiều dài khe hở
không khí thường chọn trong khoảng: 0,2 ≤ g ≤ 0,6 (mm)
tùy thuộc vào kích thước ứng dụng.
3.5. Thiết kế lõi sắt rotor
3.5.1. Bề rộng cực rotor
Sau khi xác định được βr, ta dễ dàng tính được bề rộng
cực rotor theo công thức:
( 2 ).sin
2
r
rt D g
= − (19)
3.5.2. Chiều cao cực rotor
Chiều cao cực rotor ngắn dẫn đến một tỷ lệ điện cảm
La / Lu nhỏ nhưng cho phép cực stator dài hơn nếu kích
thước của lõi từ không thay đổi, do đó có nhiều không gian
hơn cho cuộn dây stator. Một cực rotor lớn hơn tăng bán
kính khe khí rg, nhưng đồng thời các cực stator phải ngắn
hơn. Do đó ít không gian hơn cho cuộn dây stator. Như vậy,
cần tồn tại một giá trị tối ưu cho chiều cao cực rotor về tỷ
lệ cảm ứng và khả năng sản xuất mô men xoắn. Do đó, [5]
đề xuất một tỷ lệ chiều cao cực rotor với khoảng cách giữa
các rotor giữa 0,55 và 0,75. Nếu đường kính D vẫn không
thay đổi, chiều cao cực rotor bị hạn chế bởi sự cần thiết
phải làm cho gông rotor đủ dày để mang dòng từ thông mà
không bão hòa, và cũng theo yêu cầu để làm cho đường
kính trục càng lớn càng tốt. Để có độ tự cảm cao, chiều cao
của rotor phải ít nhất bằng 20 - 30 lần chiều dài khe khí,
như được khuyến cáo trong [1]. K. Bienkowski [6] đề xuất
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 63
chiều cao cực rotor được tính toán theo công thức sau:
hr=khr.g với (15<khr<35) (20)
3.5.3. Độ dày gông từ rotor
Độ dày gông từ rotor yr được xác định bởi sự cần thiết
của độ cứng cơ học và hoạt động mật độ từ thông. Trong
SRM với rotor hai cực mô hình từ thông được chia thành
hai phần bằng nhau khi nó rời khỏi cực rotor và đi vào gông
rotor. Vì vậy, yr không cần phải càng dày càng tốt mà nên
có ít nhất 1/2 chiều rộng cực stator để mang từ thông đỉnh
rotor mà không bão hòa. Phạm vi giá trị được chọn từ tính
toán khe hở không khí giữa hai cực để cung cấp tỷ số cao
giữa điện cảm thẳng hàng và không thẳng hàng (La/Lu).
Nhưng đồng thời, nó cũng mong muốn có cực rotor ngắn
hơn để tạo độ rung nhỏ nhất trong rotor. Về thực tế, các
phần của gông rotor được chia sẻ giữa dòng khác nhau mà
có thể bị chồng chéo, tài liệu [2] đưa ra công thức chọn yr:
.
2
s
r yr
t
y k= với (1,1 < kyr <1,3) (21)
Theo [4] thường chọn: 0,5ts < yr <0,75ts và theo [5]
thường chọn: 0,5ts < yr <0,8ts
3.5.4. Đường kính ngoài rotor
Dr = D – 2g (22)
3.5.5. Đường kính trục
Để tối đa hóa độ cứng, đường kính trục Dsh lớn là thuận
lợi. Điều này góp phần vào việc giảm tiếng ồn và làm tăng
tốc độ đầu tiên. Nếu chiều cao và chiều rộng các cực rotor,
độ dày gông từ rotor là cố định, đường kính trục Dsh có thể
thu được với đường kính ngoài rotor Dr như sau:
Dsh = Dr – 2(hr + yr) (23)
Lưu ý khi lựa chọn đường kính trục Dsh cần đảm bảo
trục đủ cứng và đủ lớn bởi: Ngoài việc phải chịu toàn bộ
trọng lượng của rotor, trục còn chịu mô men xoắn và mô
men uốn trong quá trình truyền động tải. Trục còn chịu lực
hướng trục, thường là lực kéo như ở các máy kiểu trục
đứng. Ngoài những tải trên còn phải chú ý đến lực từ một
phía do khe hở không đều sinh ra. Cuối cùng, trục còn phải
chịu lực do cân bằng động không tốt gây nên, nhất là khi
quá tốc độ giới hạn.
4. Kiểm chứng thiết kế và đánh giá
Quy trình thiết kế được thử nghiệm cho thiết kế động
cơ từ trở loại 6/4, các kích thước chính được cho trong
Bảng 2. Các kích thước động cơ được thực hiện theo quy
trình thiết kế trên và được mô phỏng phần tử hữu hạn. Kết
quả cho thấy, SRM được thiết kế theo quy trình đảm bảo
về kết cấu, đường thông lượng đối xứng, cân bằng được
biểu diễn như Hình 7. Kết quả của nhóm tác giả công bố là
kết quả đánh giá bước đầu, để chế tạo và thử nghiệm động
cơ từ trở 6/4 đòi hỏi cơ sở thiết bị lớn và nhiều thời gian,
nên các kết quả chế tạo và thử nghiệm cụ thể sẽ được nhóm
tác giả công bố trong các nghiên cứu tiếp theo.
(a) (b)
Hình 7. Cấu trúc động cơ từ trở 6/4
(a) Chia lưới phần tử hữu hạn, (b) Đường thông lượng phân bố
trong SRM
Bảng 2. Thông số kích thước động cơ từ trở
Ns/Nr 6/4
βs/βr
(độ)
20/24
g
(mm)
0,3
D0
(mm)
190
D
(mm)
89,7
Dr
(mm)
100
Dsh
(mm)
28
ys, yr
(mm)
12,5
l
(mm)
114
hs
(mm)
77,2
hr
(mm)
59,5
Vật
liệu
Silic
5. Kết luận
Bài báo đã trình bày tổng thể quy trình thiết kế cho đồng
cơ từ trở và kiểm chứng bằng phần mềm. Các giá trị kích
thước của động cơ được lựa chọn, xác định chi tiết và đầy
đủ. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để kiểm
chứng thiết kế và đánh giá khả năng hoạt động của SRM.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Miller T.J.E, Switched Reluctance Motors and their control, Magna
Physics Publishing, Hillsboro, 1993.
[2] Torsten Wichert, Design and Construction Modifications of
Switched Reluctance Machines, Ph.D. Thesis, Warsaw University of
Technology, 2008.
[3] International Electrotechnical Commission, Dimensions and output
ratings forrotating electrical machines – Frame numbers 56 to 400
and flange numbers F55 to F1080, Publication 72, Geneva,
Switzerland, 1971.
[4] R. Krishnan, Switched Reluctance Motor Drives, Industrial
Electronics Series, 2001.
[5] Praveen Vijayraghavan, Design of Switched Reluctance Motors and
Development of a Universal Controller for Switched Reluctance and
Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives, Ph.D. Thesis,
Virginia Polytechnic Institute, 2001.
[6] Bienkowski, K., Szczypior, J., Bucki, B., Biernat, A., Rogalski,
“Influence of geometrical parameters of Switched Reluctance Motor
on electromagnetic torque”, Berichte and Infomationen HTW
Dresden, ISSN 1433-4135, 1/2002.
(BBT nhận bài: 26/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/11/2018)
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- quy_trinh_thiet_ke_dong_co_tu_tro.pdf