Nghiên cứu cải thiện chất lượng mô men động cơ BLDC rotor ngoài trong truyền động trực tiếp

• Tác giả: Nguyễn Việt Anh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hùng Phi
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Cải thiện chất lượng mô men động cơ BLDC rotor ngoài trong truyền động trực tiếp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC)
• 1.2. Đặc điểm điều khiển của động cơ BLDC
• 1.3. Ứng dụng động cơ BLDC trong truyền động trực tiếp
• 1.4. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế
• 1.4.1. Các nghiên cứu trong nước
• 1.4.2. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.5. Các tồn tại và đề xuất nghiên cứu động cơ BLDC rotor ngoài
• 1.6. Vật liệu dẫn từ trong động cơ BLDC
• 1.6.1. Khái niệm mạch từ
• 1.6.2. Vật liệu từ tính
• 1.6.3. Nam châm vĩnh cửu
• 1.6.4. Mô hình mạch từ của nam châm vĩnh cửu
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MẠCH TỪ ĐỘNG CƠ BLDC
• 2.1. Mô hình dịch chuyển nam châm vĩnh cửu qua rãnh stator
• 2.2. Mô hình toán học
• 2.3. Phân bố từ trường vô hướng dọc theo miệng rãnh
• 2.4. Phân bố mật độ từ thông trong khe hở không khí
• 2.5. Ảnh hưởng của độ cong
• 2.6. Quá trình năng lượng trong động cơ BLDC
• 2.7. Xây dựng mạch từ tương đương
• 2.7.1. Mạch từ tương đương chưa xét đến phản ứng phần ứng
• 2.7.2. Mạch từ tương đương có xét đến phản ứng phần ứng
• 2.8. Kiểm nghiệm từ thông tại điểm làm việc nam châm bằng PTHH
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ MEN ĐẬP MẠCH (COGGING TORQUE) TRONG ĐỘNG CƠ BLDC
• 3.1. Mô men đập mạch
• 3.2. Cơ sở hình thành mô men đập mạch
• 3.3. Ảnh hưởng của chiều rộng miệng rãnh
• 3.4. Ảnh hưởng của độ phủ nam châm
• 3.5. Chuỗi Fourier lượng giác
• 3.6. Khai triển chuỗi Fourier để phân tích ảnh hưởng của độ phủ nam châm
• 3.7. So sánh kết quả tính toán giải tích và mô phỏng FEM
• 4. THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Xây dựng thuật toán thiết kế động cơ
• 4.2. Các kích thước cơ bản
• 4.3. Ứng dụng thiết kế cho quạt trần
• 4.4. Lưu đồ thuật toán thiết kế
• 4.5. Tính toán thông số động cơ được đề xuất trong luận án
• 4.6. Thiết lập mô phỏng
• 4.7. Kiểm nghiệm kết quả tối ưu đường kính ngoài rotor
• 4.8. Kết quả mô phỏng thiết kế
• 4.9. Đánh giá kết quả mô phỏng
• 4.10. Đặc tính B-H thép kĩ thuật điện Posco 1300 chế tạo mạch từ stator
• 4.11. Chế tạo động cơ thực nghiệm
• 5. TỔNG KẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những mặt hạn chế
• 5.2. Khả năng phát triển từ luận án
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng quan về động cơ BLDC

Động cơ BLDC (Brushless Direct Current) là một loại động cơ điện không sử dụng chổi than, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất. Đặc điểm nổi bật của động cơ này là khả năng điều khiển chính xác và hiệu suất cao, đặc biệt trong các ứng dụng truyền động trực tiếp. Việc nghiên cứu và cải thiện chất lượng động cơ là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống điện. Động cơ BLDC thường được sử dụng trong các ứng dụng như quạt trần, máy giặt, và các thiết bị điện tử tiêu dùng. Theo nghiên cứu, động cơ BLDC có thể đạt hiệu suất lên đến 90% trong điều kiện hoạt động tối ưu.

1.1 Đặc điểm điều khiển của động cơ BLDC

Điều khiển động cơ BLDC thường sử dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh tốc độ và mô men. Việc này giúp giảm thiểu tiếng ồn và tăng cường hiệu suất. Đặc biệt, công nghệ động cơ này cho phép điều chỉnh mô men một cách linh hoạt, giúp cải thiện khả năng hoạt động của động cơ trong các ứng dụng yêu cầu cao về độ chính xác. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số điều khiển có thể làm giảm đáng kể mô men đập mạch, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của động cơ.

II. Mô hình mạch từ động cơ BLDC

Mô hình mạch từ là một phần quan trọng trong việc phân tích và thiết kế động cơ BLDC. Mạch từ giúp xác định cách mà từ trường được phân bố trong động cơ, ảnh hưởng đến mô men xoắn và hiệu suất hoạt động. Việc xây dựng mô hình mạch từ cho động cơ BLDC rotor ngoài cần xem xét các yếu tố như độ cong của rãnh và mật độ từ thông. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thiết kế mạch từ có thể làm giảm mô men đập mạch, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ. Sử dụng phần mềm mô phỏng như ANSYS/Maxwell 2D cho phép phân tích chính xác các thông số này.

2.1 Phân bố từ trường trong động cơ

Phân bố từ trường trong động cơ BLDC ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và mô men xoắn. Việc phân tích từ trường giúp xác định các điểm làm việc tối ưu cho động cơ. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa chiều rộng miệng rãnh và tỷ số cung cực có thể làm giảm đáng kể mô men đập mạch. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất động cơ mà còn giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình hoạt động. Các mô hình toán học và mô phỏng FEM đã được áp dụng để phân tích và tối ưu hóa các thông số này.

III. Mô men đập mạch trong động cơ BLDC

Mô men đập mạch (cogging torque) là một trong những vấn đề chính ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ BLDC. Mô men này phát sinh do sự tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và rãnh stator, gây ra gợn xung mô men không mong muốn. Việc giảm thiểu mô men đập mạch là cần thiết để nâng cao chất lượng động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh chiều rộng miệng rãnh và độ phủ nam châm có thể làm giảm mô men đập mạch, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ. Phân tích chuỗi Fourier cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số này đến mô men đập mạch.

3.1 Ảnh hưởng của chiều rộng miệng rãnh

Chiều rộng miệng rãnh có ảnh hưởng lớn đến mô men đập mạch trong động cơ BLDC. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa chiều rộng miệng rãnh có thể làm giảm đáng kể mô men đập mạch, từ đó nâng cao hiệu suất động cơ. Việc này không chỉ giúp cải thiện công suất động cơ mà còn giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình hoạt động. Các mô hình mô phỏng đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh chiều rộng miệng rãnh có thể tạo ra sự khác biệt lớn trong hiệu suất tổng thể của động cơ.

IV. Thiết kế và mô phỏng động cơ BLDC

Thiết kế động cơ BLDC là một quá trình phức tạp, yêu cầu sự cân nhắc kỹ lưỡng về các thông số kỹ thuật và hiệu suất. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như ANSYS/Maxwell 2D cho phép các kỹ sư kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo thực nghiệm. Các thông số như chiều cao rãnh, độ phủ nam châm và kích thước rotor đều ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể về hiệu suất và giảm thiểu mô men đập mạch.

4.1 Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ BLDC. Các thông số như đường kính ngoài rotor và chiều rộng miệng rãnh đã được điều chỉnh để đạt được mô men điện từ tối ưu. Việc này không chỉ giúp nâng cao tính năng động cơ mà còn giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình hoạt động. Đánh giá kết quả mô phỏng cho thấy rằng các thiết kế mới có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với các thiết kế truyền thống.