- Ảnh hƣởng của tính chất vật liệu từ cứng đến tính năng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU. - Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - Tổng quan về thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên thế giới và trong nƣớc. - Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ở một số hãng trên thế giới. - Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tại Việt Nam. - XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT ĐẾN 1KW KHỞI ĐỘNG BẰNG DÂY QUẤN LỒNG SÓC. - Các thông tin cần thiết cho thiết kế phần điện động cơ. - Tính toán, thiết kế stato động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc. - Sự ảnh hƣởng của hình dạng răng rãnh tới tính năng động cơ điện. - Tính toán stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW. - Tính toán, thiết kế roto động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1 kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc. - Ví dụ tính toán thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất 370W khởi động bằng dây quấn lồng sóc. - Tính toán các tham số của động cơ. - Tuy nhiên nhƣợc điểm của động cơ loại này là hiệu suất và hệ số công suất còn thấp so với động cơ đồng bộ dẫn đến hiệu quả sử dụng năng lƣợng điện chƣa cao. - Để khắc phục nhƣợc điểm trên của động cơ không đồng bộ thì ngƣời ta cân nhắc đến việc sử dụng động cơ đồng bộ có hiệu suất và hệ số công suất cao để thay thế. - Việc sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một giải pháp có khả năng giải quyết đƣợc nhƣợc điểm của cả hai loại động cơ trên. - Hiện nay động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh và dần dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động. - Nhờ sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu sản xuất nam châm vĩnh cửu nên chất lƣợng, hiệu suất và hiệu năng động học của động cơ loại này ngày càng đƣợc nâng cao. - Trên cơ sở phân tích trên, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc”. - Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là đi sâu vào tìm hiểu phƣơng pháp tính toán, thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất nhỏ dƣới 1kW, bao gồm: cách lựa chọn các kích thƣớc cơ bản, tính toán thiết kế các bộ phận chính của động cơ, tính toán các thông số và tham số của động cơ. - Đối tƣợng nghiên cứu Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ dƣới 1kW, khởi động bằng dây quấn lồng sóc 4. - Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu về vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu dùng trong động cơ, tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và đƣa ra phƣơng pháp tính toán thiết kế. - Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu phƣơng pháp thiết kế và tính toán đƣợc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông qua thực tế và tài liệu tham khảo. - Cho đến ngày nay, đây vẫn đƣợc coi là vật liệu nam châm hàng đầu nhờ có hiệu suất cao và đƣợc sử dụng chủ yếu để chế tạo loa phóng thanh và động cơ một chiều công suất nhỏ. - Động cơ nam châm vĩnh cửu công suất lớn cũng đã đƣợc chế tạo nhƣng do mật độ cảm ứng từ dƣ tƣơng đối thấp nên khó đạt đƣợc từ thông khe hở không khí đủ lớn cho những động cơ hiệu suất cao [4]. - Hình 1.2 - Những tiến bộ của vật liệu nam châm vĩnh cửu a) Quá trình phát triển, b) So sánh về cảm ứng từ dư và lực kháng từ Hiện nay với hiệu suất cao, nam châm đất hiếm đƣợc sử dụng phổ biến, rộng rãi trong động cơ nhỏ, đặc biệt là các ổ đĩa cứng. - Ảnh hƣởng của tính chất vật liệu từ cứng đến tính năng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Một trong những điểm quan trọng nhất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cực từ chế tạo từ vật liệu từ cứng, đã đƣợc từ hóa thành nam châm vĩnh cửu. - Bảng 1.2 cho biết nhiệt độ làm việc của một số vật liệu từ cứng dùng làm nam châm vĩnh cửu có thể đƣợc lựa chọn cho thiết kế động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu. - Vật liệu từ dùng trong chế tạo động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm vật liệu từ chế tạo lõi thép stato và vật liệu từ chế tạo lõi thép rô to. - TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Hiện nay động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang phát triển rất mạnh và dần thay thế động cơ không đồng bộ trong các hệ truyền động. - Với sự phát triển nhanh và mạnh của nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhƣ SmCo và NdFeB không những nâng cao đƣợc hiệu suất động cơ đồng bộ mà còn nâng cao đƣợc mật độ công suất, chất lƣợng và hiệu năng động học. - Giá thành của vật liệu đất hiếm cũng ngày càng giảm và công nghệ định dạng nam châm vĩnh cửu cũng ngày càng thuận lợi hơn, khiến cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng trở nên phổ biến. - Với những tiện ích do động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cử đem lại, trên thế giới động cơ loại này đã đƣợc nghiên cứu chế tạo thành công với rất nhiều sản phẩm có công suất từ nhỏ đến lớn [6], [7]. - Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Hiện nay động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp. - Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đặc biệt phổ biến vì cấu tạo đơn giản, chi phí sản xuất thấp và ít bảo trì. - Tuy nhiên động cơ đồng bộ lại có nhƣợc điểm là chi phí sản xuất và bảo trì cao. - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu loại bỏ đƣợc việc sử dụng các chổi than - vành trƣợt để kích từ nên giảm đƣợc chi phí bảo trì và tổn thất trong roto. - Do kích thƣớc nhỏ gọn và mật độ momen xoắn cao, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đã đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, trong hệ thống truyền động hiệu suất cao nhƣ máy CNC, robot và các hệ thống sản xuất tự động trong ngành công nghiệp. - Theo cấu tạo của roto, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể phân thành 2 loại là. - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đƣợc gắn trên bề mặt roto (hình 2.1 a. - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm đƣợc gắn chìm bên trong roto (hình 2.1 b) Hình 2.1 – Nguyên lý cấu trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 25 Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. - Đặc tính này khiến động cơ có khả năng sinh mômen rất cao. - Ngoài ra, động cơ này còn đƣợc ứng dụng trong công nghiệp ôtô điện. - Do đó phải áp dụng các biện pháp khởi động giống nhƣ đối với động cơ đồng bộ thông thƣờng. - Song trong đề tài này chỉ xét động cơ đồng bộ công suất đến 1kW nên chọn phƣơng pháp khởi động dùng quân quấn lồng sóc. - Đây là phƣơng pháp khởi động rất đơn giản và lại thích hợp đƣợc với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu mà đề tài đang nghiên cứu. - Tổng quan về thiết kế, chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trên thế giới và trong nƣớc 2.2.1. - Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ở một số hãng trên thế giới 2.2.1.1. - Hãng VEM – Đức Một số nét chính trong thiết kế mới loại động cơ đông bộ nam châm vĩnh cửu của hãng VEM nhƣ sau: 27 VEM là hãng đã đi sâu vào nghiên cứu chế tạo các loại động cơ gồm. - Động cơ có thể thiết kế để làm việc với nhiệt độ từ -400C song phải đƣợc đặt hàng. - Điện áp cung cấp cho động cơ nam châm vĩnh cửu luôn nhỏ hơn điện áp danh định của lƣới, còn tần số đƣợc điều chỉnh theo yêu cầu về tốc độ. - Dây quấn và cách điện: động cơ VEM đƣợc thiết kế theo P2../PE.. - Những vật liệu này làm tăng độ bền cơ, bền điện và kéo dài thời gian làm việc của động cơ. - Hình 2.3 – Hình dáng và cấu trúc roto động đồng bộ nam châm vĩnh cửu [1] Hình dạng ngoài của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không giống với động cơ không đồng bộ. - Roto lồng sóc của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đƣợc sử 31 dụng làm khung cho mạch từ nam châm vĩnh cửu. - Bảng 2.2 – Thông số của một số động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do VEM sản xuất 32 2.2.1.2. - Động cơ của công ty Tai’an Sunshine power Electric Machinery Co. - Ltd là một trong nhiều công ty chế tạo máy điện của Trung Quốc đã chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - Tình hình thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tại Việt Nam Hiện nay ở Việt Nam có khá nhiều công ty hoạt động trong lĩnh vực sản xuất máy điện, song các sản phẩm chủ yếu vẫn chỉ là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc một pha và ba pha. - Còn đối với việc nghiên cứu chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì vẫn chƣa có cơ sở nào quan tâm thực hiện một cách hoàn chỉnh. - Các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang đƣợc sử dụng ở Việt Nam hiện nay vẫn chủ yếu là phải nhập khẩu. - Kết luận: Qua tìm hiểu và phân tích ở trên, có thể nói rằng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một loại động cơ có các chỉ số năng lƣợng cao, nhiều ƣu điểm nhƣng hiện vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu chế tạo tại Việt Nam. - XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT ĐẾN 1KW KHỞI ĐỘNG BẰNG DÂY QUẤN LỒNG SÓC 3.1. - Các thông tin cần thiết cho thiết kế phần điện động cơ Để thiết kế động cơ điện nói chung và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng cần phải có các số liệu cần thiết sau đây: Số liệu định mức. - Điều kiện làm việc: nhiệt độ và độ ẩm môi trƣờng nơi lắp đặt động cơ. - Tính toán, thiết kế stato động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc 3.2.1. - Sự ảnh hƣởng của hình dạng răng rãnh tới tính năng động cơ điện Việc lựa chọn răng rãnh là hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế máy điện quay cũng nhƣ máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng. - Sau đây sẽ xem xét sự ảnh hƣởng của mỗi hình dạng rãnh đến đặc tính của động cơ. - Loại rãnh này cũng có thể dùng làm rãnh rôto động cơ không đồng bộ công suất 40kW trở xuống. - Rãnh ô van Rãnh ô van ít đƣợc dùng làm lõi thép stato mà chủ yếu dùng chế tạo lõi thép roto động cơ không đồng bộ (hình 3.3 b). - Tính toán stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW 3.2.2.1. - Mật độ dòng điện của các động cơ công suất nhỏ thƣờng chọn 42 cao hơn các động cơ công suất lớn. - Đối với động cơ điện m pha đối xứng, tải đƣờng đƣợc tính theo công thức sau: 2. - f(Pđm) của động cơ điện công suất nhỏ 3 pha khi 2p = 2 và 2p =4 Chiều dài lõi thép đƣợc tính theo công thức sau: l. - Dây quấn, rãnh và gông stato a) Chọn số rãnh stato và roto Việc chọn số rãnh của động cơ điện đồng bộ tƣơng tự nhƣ động cơ không đồng bộ. - Chỉ lƣu ý đặc biệt là rô to của động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu nên dây quấn lồng sóc ở rôto chỉ phục vụ cho mục đích khởi động. - b) Chọn kiểu dây quấn Việc lựa chọn kiểu dây quấn rất quan trọng trong thiết kế máy điện nói chung và động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng. - liên quan rất mật thiết và ảnh hƣởng trực tiếp đến tính năng của động cơ cũng nhƣ giá thành chế tạo sản phẩm. - Việc tính toán Stato của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gần tƣơng tự nhƣ đối với động cơ không đồng bộ. - Tính toán, thiết kế roto động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1 kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc 3.3.1. - Các dạng cấu trúc roto nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu theo cấu trúc roto đƣợc chia ra làm nhiều loại khác nhau. - Những kiểu động cơ này thƣờng tốc độ nhỏ hơn 1000 v/ph. - Đối với những động cơ cần tốc độ thấp, mômen lớn hơn, thì cấu trúc động cơ thƣờng là roto nằm trong sử dụng các nam châm vĩnh cửu đất hiếm nhiều cực. - Hình 3.10 - Các kiểu roto sử dụng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu [1] 54 a) Roto có nam châm gắn bề mặt b) Roto có nam châm nhúng trên mặt c) Roto có nam châm cực lồi d) Roto có nam châm nhúng bố trí vuông e) Roto có nam châm nhúng bố trí hướng kính f) Hai nam châm/cực bố trí hình V g) Roto trở kháng kết hợp với nam châm vĩnh cửu Đối với các động cơ đồng bộ có roto nằm trong thì quá trình sản xuất khá phù hợp với việc sản xuất động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. - Cấu trúc roto và vị trí của chúng có ảnh hƣởng đáng kể tới đặc tính của động cơ. - Tuy nhiên, khi động cơ chạy trực tiếp với điện áp lƣới xoay chiều công nghiệp mà không qua bộ biến tần, thì cấu trúc roto bên cạnh nam châm vĩnh cửu còn cần thêm lồng sóc để khởi động. - Ảnh hƣởng của cấu trúc roto Với kiểu động cơ đồng bộ ba pha khởi động trực tiếp từ lƣới điện thì từ trƣờng chính trong động cơ đƣợc tạo ra từ nam châm vĩnh cửu, do vậy không cần đến dòng điện từ hóa từ cuộn dây kích thích. - Tuy nhiên một số tác giả khi nghiên cứu về cấu trúc roto với việc bố trí nam châm vĩnh cửu ở các khu vực khác nhau, sẽ khiến cho hiệu năng của động cơ có những thay đổi đáng kể. - Để phù hợp với công nghệ sản xuất và lắp ráp trong nƣớc, động cơ 370W-1500v/ph sẽ đƣợc chế tạo với roto có kiểu cấu trúc nam châm gắn bề mặt (cấu trúc hình 3.11-h). - Mô hình giả tĩnh trong quá trình khởi động Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lƣới là một quá trình phức tạp. - Rãnh roto và dây quấn roto Điện trở roto nên thiết kế đủ thấp để phù hợp với khả năng làm việc đồng bộ của động cơ ở chế độ xác lập. - Ví dụ tính toán thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất 370W khởi động bằng dây quấn lồng sóc 61 Số liệu định mức. - Vì động cơ có roto dùng nam châm vĩnh cửu nên chọn khe hở không khí lớn hơn (10÷20. - Đối với động cơ này ta chọn bằng 1 bƣớc cực. - Tính toán các tham số của động cơ 61. - γ.x Ω Kết luận Trong chƣơng 3 tác giả đã trình bày quá trình thiết kế động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu công suất đến 1kW khởi động bằng dây quấn lồng sóc, bao gồm tính toán stato, tính toán roto, tính toán mạch từ và tính toán các thông số động cơ. - Dựa trên các cơ sở đó, tác giả đã áp dụng để tính toán cho một động cơ có công suất 370W. - Tác giả đã tìm hiểu kỹ về vật liệu từ cứng đƣợc dùng trong chế tạo nam châm vĩnh cửu và ứng dụng của chúng vào sản xuất máy điện - Tìm hiểu rõ về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, các ƣu điểm của chúng, đặc điểm về cầu tạo, tình hình sản xuất và ứng dụng của loại động cơ này trên thế giới và trong nƣớc. - 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Đức Hùng (2012), Chuyên đề 01C Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dải công suất đến 1kW – Chuyên đề 1,2,4,5, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt