CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC 1. Khái quát về động cơ không chổi than Động cơ không chổi than - Brushless Direct Current (BLDC) là loại động cơ được hoạt động dựa vào từ trường vĩnh cữu và cảm biến xác định vị trí, không sử dụng chổi than (bàn chải) giúp loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/ tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một chiều. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hình 1- 1 Sơ đồ khối chức năng Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau: 14 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 15 Khoa Điện 1.
Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng m- pha trên stato và rotor kích thích bằng nam châm vĩnh cứu. Cảm biến vị trí rotor, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều. Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên stator theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rotor Hình 1- 2 Cấu tạo một động cơ BLDC điển hình Về các đặc tính, khả năng sử dụng, tính kinh tế. Đặc điểm của loại máy điện này là làm việc tin cậy, không tạo tia lửa điện, không gây nhiễu và có tuổi thọ cao hơn so với các loại động cơ một chiều thông thường.
Cấu trúc động cơ Cấu trúc động cơ quay được thiết kế dưới dạng trụ. Phần lớn thiết kế 4 dạng: Rotor ở phía trong stator (hình 1.3a), Rotor ở phía ngoài stator (hình 1.3b), Động cơ dạng địa, từ trường ngang theo trục ngang 1. Hình 1- 3: Các dạng thiết kế thường gặp 1. Stator Stator bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn.
15 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 16 Khoa Điện Hình 1- 4. Cấu tạo của Stator có rãnh và không rãnh Với stator có rãnh như hình 1.5 a, độ dài khe hở không khí nhỏ nên có độ từ thẩm cao dẫn đến mật độ từ trường của khe hở không khí cao hơn. Nhờ dây quấn được đặt trong rãnh với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu sắt từ cao nên khả năng tỏa nhiệt tốt hơn.
Nhưng nó có nhược điểm là gây ra mô men đập mạch lớn và khó khăn trong quá trình quấn dây do yêu cầu thiết kế độ rộng miệng rãnh. Với stator không có rãnh như hình 1.5 b, các vòng dây được quấn trên gông stator. Với cách quấn dây này không có mô men đập mạch và dây quấn được phân bố đều trên khắp stator. Tuy nhiên chính vì điều này mà khe hở không khí lớn và từ trở của khe hở không khí tăng lên.
Vì vậy khó tản nhiệt trong dây quấn cũng như mạch từ, mật độ dòng điện trong dây quấn giảm xuống và hiệu hiệu suất của động cơ loại này luôn thấp hơn loại stator có rãnh. Với stator có rãnh kín như hình 1.5 c, khắc phục những nhược điểm của stator không rãnh. Tuy nhiên do ảnh hưởng của miệng rãnh kín gây ra ngắn mạch mạch từ của những cuộn dây, giảm từ trường liên kết giữa stator và rotor ảnh hưởng đến giá trị của b-EMF. Vì vậy nhằm tránh những ảnh hưởng này thì cầu nối kín miệng rãnh phải được thiết kế tính toán với mức nhỏ nhất có thể sản xuất được.
Răng và gông từ được chế tạo tách rời, cho nên khi lắp ráp phải đảm bảo tính đồng tâm và giảm thiểu khe hở không khí giữa răng và gông từ. 16 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 17 Khoa Điện Hình 1- 5: Các dạng thiết kế cấu trúc stator thường gặp 1. Rotor trong Hình 1- 6: Các dạng thiết kế cấu rotor thường gặp Kiểu đặt nam châm như hình 1.6 a-d gọi là kiểu nam châm gắn bề mặt.
Nam châm hình dạng cung tròn hướng tâm ở hình 3.9a là kiểu cổ điển được chế tạo. Tương tự, kiểu gắn nam châm hình 1.6 b,c nhưng các cạnh bên của nam châm song song với nhau. Các nam châm hình 1.6 a,b,c được chế tạo từ các miếng nam châm ban đầu hình khối và được từ hóa trước khi lắp vào rotor, khác với hình 1.6d được chế tạo để bao quanh mạch từ rotor và được từ hóa khi đã lắp vào mạch từ. Phân bố nam châm hình cánh quạt như hình 1.6 e, có diện tích mặt nam châm lớn hơn so với kiểu phân bố trên bề mặt cho nên sử dụng được những loại nam châm có tính từ thấp như ferrite với dạng khối.
Nhúng nam châm vào trong rotor như hình 1.6 f đảm bảo máy hoạt động ổn định khi với tốc độ cao, tuy nhiên sẽ làm tăng từ trở khi từ thông từ nam châm qua khe hở không khí, tạo ra sự nhấp nhô mô men lớn hơn. Đặc tính cơ của động cơ BLDC Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thường như hình 1. Tức là mối quan hệ giữa mô men và tốc độ là các đường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác. Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ có thể được mở rộng hơn.
17 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 18 Khoa Điện Hình 1- 7: Đồ thị đặc tính cơ 18 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 19 Khoa Điện CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐỘNG CƠ 2. Thuật toán thiết kế động cơ BLDC 19 Nhóm 2 GVHD:TS.
Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 20 Khoa Điện Các thông số yêu cầu thiết kế động cơ Thiết kế kích thước cơ bản động cơ Thiết kế nam châm Thiết kế dây quấn, rãnh stator Tính toán điện trở, điện cảm Kiểm tra mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc Không đạt Không đạt Thuật toán kiểm tra (η, Eph, cosφ) Đạt Mô phỏng phần mềm Ansys Maxwell Hình 2- 1 Sơ đồ thuật toán thiết kế động cơ 2. Các thông số hình học mạch từ và dây quấn 20 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 21 Khoa Điện Bảng 2- 1: Các thông số cố định TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Công suất định mức Pn W 250 2 Tốc độ định mức Sr rpm 2250 3 Nguồn DC lớn nhất Umax V 24 0 4 Cấp cách điện F C 155 5 Hiệu suất giả thiết ηn % 90 6 Mật độ dòng điện lớn nhất Jmax A/mm2 5 7 Chế độ làm việc S [S1-S10] S1 8 Số pha Nph 3 9 Số cực nam châm Nm 8 10 Số rãnh của một pha Nsp Rãnh/ pha 4 11 Độ dài khe hở không khí g mm 0,3 12 Tổn thất lõi thép từ trường và tần số p10(B, f) W/Kg 0,8 Hệ số ép chặt, khối lượng riêng [0.97] 0,93 13 kst mạch từ 14 Điện trở suất dây quấn 200C ρCu20 Ω.m 1,72*10-8 15 Nhiệt độ môi trường làm việc T0 0C 40 16 Nhiệt độ làm việc giả thiết Tl 0C 60 17 Hệ số sử dụng tiết diện rãnh kcp <0.50 0,42 18 Độ rộng miệng rãnh ws mm 3,5 19 Kiểu quấn dây Xếp, bước ngắn 20 Kiểu bố trí nam châm Bề mặt, cực ẩn 21 Kiểu rãnh stator Hình quả lê 22 Dạng điều khiển Phát xung 1200 2. Thiết kế tính toán thông số mạch từ Bảng 2- 2: Thông số tính toán mạch từ 21 Nhóm 2 GVHD:TS.
Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 22 Khoa Điện Ký TT Thông số hiệu Đơn vị Công thức tính Kết quả π 1 Vận tốc góc cơ ωm Rad/s ωm=Sr* 30 287,98 2 Vận tốc góc điện ωe Rad/s ωe= ωm* Nm/2 1151,92 3 Sức điện động lớn nhất Emax V Emax= Umax*0.615 14,75 4 Mô men định mức Tn N.m Tn =Pn/ ωm 0,87 5 Tần số cơ fm Hz fm = ωm/2π 45,83 6 Tần số điện Fe Hz Fe = ωe/2π 183,33 7 Góc hình học/cực θp rad θp =2π/ Nm 0,79 8 Hệ số điện cơ TRV kNm/m3 Tra bảng 15 9 Hệ số thể tích lựa chọn λ [0.0] 2,5 mm 10 Đường kính trong stator Dis 35,65 11 Độ dài bước cực τ mm τ = π Dis/ Nm 14 12 Chiều dài mạch từ l mm l= λ* τ 35 13 Hệ số carter lựa chọn kc Lựa chọn từ hình 2.11 1,1 14 Độ dài từ nam châm- stator g’e mm g’e = kc*g 0,33 15 Đường kính ngoài rotor Dro1 mm Dro1= Dis-2g 35,05 16 Số rãnh stator Ns rãnh Ns = Nsp* Nph 12 17 Số rãnh stator/pha/ cực Nspp int Nspp = int(Nsp/Nm) 1 18 Tỉ số cuộn dây/ cực αcp int αcp =int(Nspp)/ Nspp 2 19 Độ dài bước rãnh τp mm τp = τ/ Nsp 3,5 20 Góc hình học bước rãnh θs rad θs= 2π/ Ns 0,52 21 Số rãnh/ cực Nsm rãnh Nsm= Nspp* Nph 1,5 22 Góc điện bước rãnh θse rad θse = π/ Nsm 2,09 23 Hệ số PC lựa chọn PC 8 24 Hệ số từ thẩm tương đối. μrec Dải giá trị [1-1,1] 1,1 25 Lựa chọn hệ số từ tản fLKG Dải giá trị [0,75-0,95] 0,8 26 Độ dày nam châm tính toán lm mm lm =PC* fLKG*g’ 2,09 22 Nhóm 2 GVHD:TS. Nguyễn Việt Anh Đồ án Thiết kế thiết bị điện 23 Khoa Điện 27 Độ dày nam châm lựa chọn lm1 mm 2,1 28 Chọn hệ số phủ nam châm km 0,65 29 Độ phủ dài nam châm tính lPM mm lPM = km* τ 9,10 toán Độ phủ dài nam châm lựa 30 chọn lPM1 mm 9,2 Hệ số phủ nam châm tính 31 toán km1 km1= lPM1/ τ 0,66 Góc phủ hình học nam châm 32 tính toán αPMm rad αPMm = km1* θp 0,52 33 Góc phủ điện nam châm αPMe rad αPMe = αPMm*Nm/2 2,08 34 Độ dài từ stator -rotor g”e mm g”e = g’e+ lPM1/ μrec 2,25 35 Hệ số từ tản tính toán fLKG fLKG =2* km1/(1+ km1) 0,8 36 Hệ số PC tính toán Pc1 Pc = lPM1/( fLKG* g’e) 7,99 37 Hệ số carter tính toán kc 1,15 38 Sức từ động nam châm FPM A.m FPM =Hl* lm1 252 39 Lực kháng từ thực tế Fcj A.m Fcj =Hcj* lm1 1858,5 40 Đường kính gông rotor Dro2 mm Dro2= Dro1-2* lm1 30,85 41 Từ trường khe hở không khí Bg T 0,67 42 Lực từ động khe hở Fg A.m Fg = Bg*g/μ0 211,98 43 Hệ số bão hòa răng stator kf [1.1] 1,05 44 Từ thông khe hở không khí Φg Wb Φg = Bg*π Dro1*l 2,58*10-3 45 Bước quấn dây y rãnh 1 46 Góc hình học quấn dây θc rad θc = 2π*y/ Ns 0,52 47 Độ dài bước quấn dây τc mm τc= y* τ+10 24,00 23 Nhóm 2 GVHD:TS.
