Đồ án Kỹ thuật: thiết kế ii mô phỏng đa vật lí động cơ ipmsm trong hệ

Mô phỏng đa vật lí động cơ IPMSM trong hệ truyền động xe điện. Nghiên cứu thiết kế, phân tích hiệu suất và tối ưu hóa hệ thống truyền động.

• Tác giả: Trần Hải Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Vũ Hoàng Phương
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: KT Điều khiển & Tự động hóa
• Đề tài: Mô phỏng đa vật lý động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (IPMSM) trong hệ truyền động xe điện
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hanoi

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mô phỏng Đa Vật Lí Động Cơ IPMSM

Mô phỏng đa vật lí động cơ IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành truyền động xe điện hiện đại. Đồ án thiết kế này tập trung vào việc xây dựng một mô hình toàn diện kết hợp giữa các khía cạnh điện từ, cơ học và điều khiển. Sử dụng phần mềm JMAG cho phân tích phần tử hữu hạn và Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống điều khiển, đồ án giải quyết các thách thức thiết kế động cơ trong xe điện. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng đáp ứng của động cơ ở các chế độ làm việc khác nhau, đặc biệt là các thuật toán điều khiển tiên tiến như MTPA (Maximum Torque per Ampere), MTPV (Maximum Torque per Voltage) và Flux Weakening Control.

1.1. Tầm quan trọng của Xe Điện và Động Cơ IPMSM

Xe điện đang trở thành xu hướng chủ yếu trong ngành vận tải toàn cầu. Động cơ IPMSM được lựa chọn rộng rãi vì hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt và mô men xoắn lớn. Trong hệ truyền động xe điện, việc tối ưu hóa hoạt động của động cơ thông qua mô phỏng đa vật lí giúp giảm tiêu thụ năng lượng, cải thiện hiệu suất và độ tin cậy. Nghiên cứu này cung cấp nền tảng kỹ thuật quan trọng cho các nhà thiết kế và kỹ sư phát triển công nghệ xe điện.

1.2. Phạm vi và Mục tiêu Đồ Án

Đồ án này thu thập và phân tích thông số kỹ thuật động cơ từ các mẫu xe điện thực tế, xây dựng mô hình hình học 3D trong JMAG và thực hiện phân tích điện từ chi tiết. Kết quả từ JMAG được kết nối với Simulink thông qua đồng mô phỏng (co-simulation) để đánh giá toàn diện các thông số như mô men xoắn, tốc độ quay và dòng điện. Mục tiêu cuối cùng là xác minh tính đúng đắn của mô hình và cung cấp công cụ đắc lực cho việc thiết kế và tối ưu hóa động cơ.

II. Cơ Sở Lý Thuyết và Mô Hình Toán Học

Mô hình toán học động cơ IPMSM là nền tảng của toàn bộ nghiên cứu này. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được mô hình hóa dựa trên các phương trình điện từ cơ bản, bao gồm phương trình điện áp, từ thông và mô men xoắn. Hệ quy chiếu dq0 (direct-quadrature-zero) được sử dụng để đơn giản hóa các phương trình điều khiển và phân tích động cơ trong trạng thái xác lập. Mô hình hóa trong hệ tọa độ ba pha cung cấp cái nhìn chi tiết về các quá trình chuyển đổi năng lượng điện sang cơ năng. Các thông số quan trọng như cảm kỳ tuyến tính, kháng điện và đặc tính từ phi tuyến được xác định thông qua phân tích phần tử hữu hạn FEM.

2.1. Phân Loại và Cấu Trúc Động Cơ IPMSM

Động cơ IPMSM là loại động cơ đồng bộ với nam châm vĩnh cửu được đặt bên trong rotor. Cấu trúc này cho phép tối ưu hóa không gian từ, cải thiện hiệu suất năng lượng so với loại SPMSM (Surface Permanent Magnet). Phân loại rotor bao gồm các kiểu khác nhau như radial flux, axial flux với các cấu hình từ thông khác nhau. Sự lựa chọn cấu trúc phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể, công suất định mức và các ràng buộc về không gian lắp ráp.

2.2. Mô Hình Điều Khiển FOC và Các Thuật Toán

Điều khiển theo định hướng từ thông (FOC) là phương pháp tiêu chuẩn để điều khiển động cơ IPMSM. Phương pháp này giải phóng thành phần dòng điện trực tiếp (Id) và trực giao (Iq), cho phép điều khiển mô men xoắn độc lập. Thuật toán MTPA tối ưu hóa mô men trên một đơn vị dòng điện, MTPV tối ưu hóa trong vùng suy yếu từ thông. Flux Weakening Control mở rộng phạm vi tốc độ vận hành bằng cách giảm từ thông định mức, cho phép xe điện đạt tốc độ cao.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Đa Vật Lí với JMAG và Simulink

Mô phỏng đa vật lí là kỹ thuật kết hợp JMAG (phần mềm phân tích điện từ) và Simulink (môi trường mô phỏng hệ thống động lực) để thực hiện đồng mô phỏng (co-simulation). Quá trình này bao gồm ba bước chính: (1) xây dựng mô hình hình học 3D động cơ trong JMAG, (2) thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để tính toán đặc tính điện từ, (3) kết nối dữ liệu vào Simulink để mô phỏng hệ thống điều khiển. Phương pháp FEM trong JMAG cung cấp các đặc tính từ độ chính xác cao bao gồm mô men xoắn, cảm kỳ và thất thoát. Trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa hai phần mềm cho phép đánh giá hiệu suất động cơ trong các kịch bản vận hành thực tế.

3.1. Quy Trình Thiết Kế Mô Hình Hình Học

Bước đầu tiên là thu thập thông số kỹ thuật từ các mẫu xe điện hiện tại và tài liệu từ nhóm thiết kế máy điện. Dựa trên các thông số như công suất định mức, tốc độ, số cực, số rãnh, người thiết kế xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh trong JMAG. Mô hình bao gồm stator, rotor, nam châm vĩnh cửu và khoảng hở không khí. Các thông số hình học như đường kính, chiều dài active, độ dày lá từ được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao.

3.2. Phân Tích Điện Từ và Tính Toán Đặc Tính

Sau khi xây dựng mô hình, phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện để tính toán phân bố từ trường, mô men xoắn điên từ và cảm kỳ. JMAG cho phép mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau bằng cách thay đổi dòng điện stator. Kết quả được trích xuất dưới dạng bảng tra cứu (Look-Up Table - LUT) chứa mô men xoắn và cảm kỳ theo các giá trị dòng điện Id, Iq khác nhau. Những dữ liệu này sau đó được sử dụng trong Simulink cho điều khiển động cơ.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Ứng Dụng Thực Tế

Kết quả mô phỏng đa vật lí cung cấp cái nhìn toàn diện về hiệu suất động cơ IPMSM trong các chế độ vận hành khác nhau. Các thông số như mô men xoắn, tốc độ quay, dòng điện stator được ghi lại và phân tích dưới các kịch bản vận hành thực tế của xe điện. Sự khớp lệnh giữa JMAG và Simulink cho phép xác minh tính đúng đắn của mô hình bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm nếu có. Hiệu suất năng lượng, phạm vi tốc độ, khả năng tăng tốc được đánh giá chi tiết. Các thuật toán điều khiển MTPA, MTPV và Flux Weakening được thử nghiệm để xác định chiến lược điều khiển tối ưu nhất cho hệ truyền động xe điện.

4.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Dữ liệu mô phỏng từ đồng mô phỏng JMAG-Simulink được phân tích thông qua các biểu đồ và bảng dữ liệu chi tiết. Mô men xoắn động tế được so sánh với mô men xoắn danh định để kiểm tra độ chính xác mô hình. Đặc tính dòng điện, điện áp và tốc độ ở các chế độ vận hành khác nhau (tăng tốc, hằng tốc độ, suy yếu từ thông) được trình bày toàn diện. Phân tích hiệu suất năng lượng giúp xác định vùng hoạt động tối ưu của động cơ.

4.2. Ứng Dụng và Hàm Ý Thực Tiễn

Mô hình mô phỏng được phát triển có thể sử dụng để tối ưu hóa thiết kế động cơ mới hoặc cải thiện những loại hiện tại. Kết quả cung cấp hướng dẫn cho chiến lược điều khiển sử dụng thuật toán MTPA hay MTPV phù hợp với tính chất tải của xe. Công cụ mô phỏng này hỗ trợ các nhà thiết kế trong việc nâng cao hiệu suất, giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện phạm vi hoạt động của xe điện, góp phần vào sự phát triển bền vững của công nghệ giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.1 Xu thế xe điện hiện nay .2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu .3 Yêu cầu của nghiên cứu. 2 Chương 2: Cơ sở lí thuyết 4 2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong xe điện .1 Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .2 Phân loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu theo kiểu rotor .2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .1 Nguyên lý hoạt động .2 Mô hình hoá động cơ trong hệ tọa độ ba pha .3 Mô hình động cơ trong hệ quy chiếu đồng bộ .4 Trạng thái xác lập và biểu diễn véc-tơ .5 Mô hình hoá trong hệ dq0 .3 Các phương pháp xác định tham số động cơ .4 Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn .5 Giới thiệu về phần mềm JMAG. 13 Chương 3: Xây dựng hệ truyền động biến tần – động cơ IPMSM theo phương pháp Co-simulation 15 3.1 Mô phỏng động cơ bằng mô hình phần tử hữu hạn JMAG .1 Xác định nhóm các thông số thiết kế .2 Mô phỏng động cơ trên JMAG .3 Kết quả mô phỏng .2 Cấu trúc điều khiển động cơ IPMSM cho xe điện .1 Chia vùng làm việc với động cơ IPMSM .2 Cấu trúc điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) .3 Các khối chuyển tọa độ .4 Khối điều chế vector không gian - SVM .3 Cấu trúc điều chế đồng bộ với động cơ PMSM .2 Cấu trúc thực hiện: .3 Tính chất của tín hiệu có dạng HWS và QWS .4 Phân tích kết quả .5 Áp dụng với điện áp ra dạng xung băm của bộ nghịch lưu .6 Đối với động cơ pmsm .7 Các bộ điều khiển .8 Các thuật toán điều khiển. 56 Chương 4: Kiểm nghiệm cấu trúc Co - simulation giữa JMAG và Matlab - Simulink 61 4.1 Mô hình đồng mô phỏng giữa JMAG và Matlab Simulink .2 Kết quả kiểm nghiệm đồng mô phỏng giữa JMAG và Matlab Simulink .3 Kiểm nghiệm lại với các giải pháp điều chế độ rộng xung.

73 Chương 5: Kết luận 76 5.1 Những kết quả đạt được .2 Hướng phát triển. 76 DANH MỤC ẢNH Figure 1.1 Xe ô tô điện - giải pháp bảo vệ môi trường hiệu quả .1 Cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu .2 Rotor cực lồi (SPM) .3 Rotor cực ẩn (IPM) .4 Mạch tương đương theo trục d .5 Mạch tương đương theo trục q .6 Sơ đồ chức năng của bộ phần mềm JMAG .1 Quá trình khởi tạo dự án thiết kế động cơ IPMSM trong JMAG .2 Quá trình khởi tạo dự án thiết kế động cơ IPMSM trong JMAG .3 Chọn kiểu động cơ mô phỏng .4 Các kiểu rotor hỗ trợ trong JMAG .5 Các kiểu rotor hỗ trợ trong JMAG .6 Kiểu rotor rip_012 .7 Các kiểu stator hỗ trợ trong JMAG .8 Các kiểu stator hỗ trợ trong JMAG .9 kiểu stator so_013 .10 Bảng các case đã chạy .11 Đồ thị momen – tốc độ - hiệu suất .12 Đồ thị momen – tốc độ - công suất .13 Đồ thị momen – tốc độ - công suất .14 Mật độ từ thông trong khe hở không khí không tải .15 Mật độ từ thông trong khe hở không khí khi có tải .16 Phân bố gợn sóng momen trong động cơ .17 Phân bố từ thông trong động cơ .18 Phân bố vector từ trường theo thời gian .19 Phân bố từ thông theo thời gian .20 Từ trường trục d theo momen và tốc độ .21 Từ trường trục q theo momen và tốc độ .22 Đồ thị momen – tốc độ - dòng điện id .23 Đồ thị momen – tốc độ - dòng điện iq .24 Đặc tính momen và tốc độ của động cơ .25 Các đường hoạt động của động cơ theo từng vùng thuật toán .26 Cấu trúc điều khiển FOC với các thuật toán .27 Sơ đồ khâu điều chế vector không gian .28 Thành phần điện áp abc và αβ theo trục thời gian .29 Vị trí vector chuẩn trong hệ tọa độ αβ .30 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời usa , usb và usc .31 Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector .32 Nguyên tắc điều chế vector điện áp .33 Cấu trúc thực hiện SOPWM .34 Minh họa về tín hiệu có tính chất QWS và HWS .35 Dạng điện đầu ra (type A bên trái, type B bên phải) .36 Minh họa các bước thực hiện phương pháp trong 1 chu kỳ làm việc 53 Figure 3.37 Cấu trúc khử thành phần đan kênh dòng điện .38 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện .39 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ .41 Mối quan hệ giữa id , iq và is .42 Khối suy giảm từ thông .43 Cấu trúc mô hình Flux-weakening trên Simulink .44 Sự thay đổi góc θ dựa trên giá trị β .1 Cấu trúc mô phỏng kiểm nghiệm động cơ đa vật lí từ FEM .2 Tốc độ đặt và tốc độ phản hồi .3 Momen đặt và momen phản hồi .4 Dòng điện 3 pha của động cơ .5 Tốc độ đặt và tốc độ phản hồi .6 Momen đặt và momen phản hồi .7 Dòng điện 3 pha của động cơ .8 Tốc độ đặt và tốc độ phản hồi .9 Momen đặt và momen phản hồi .10 Dòng điện 3 pha của động cơ .11 Tốc độ đặt và tốc độ phản hồi .12 Momen đặt và momen phản hồi .13 Dòng điện 3 pha của động cơ .14 Cấu trúc mô phỏng kiểm nghiệm động cơ đa vật lí từ FEM .15 Tốc độ đặt và tốc độ phản hồi .16 Momen đặt và momen phản hồi .17 Dòng điện 3 pha của động cơ. 75 11 DANH MỤC BẢNG Table 1.1 Bảng ký hiệu các đại lượng viết tắt .1 Các mẫu xe điện có thông số động cơ gần với yêu cầu đề tài .1 Phân loại và định nghĩa các tham số trong mô hình động cơ IPMSM 4 Table 2.2 So sánh các phương pháp thu nhận thông số động cơ PMSM .1 Tổng hợp các tham số đầu vào mô hình động cơ IPMSM .2 Các thông số hình học cơ bản của stator .3 Các thông số hình học cơ bản của rotor .4 Phân tích các nút chức năng trong thanh công cụ JMAG-Express .5 Tổng hợp tham số vật lý và tham số mô phỏng của động cơ IPMSM 36 Table 3.6 Bảng điện áp các vector chuẩn .7 Ma trận Anm trong các sector .8 Hệ số điều chế cho từng sector .1 Xu thế xe điện hiện nay Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, các hệ thống truyền động điện đóng vai trò cốt lõi trong nhiều lĩnh vực như ô tô điện, robot công nghiệp, hàng không và tự động hóa sản xuất. Sự gia tăng nhu cầu về phương tiện thân thiện môi trường và năng lượng tái tạo đã trở thành động lực thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang các giải pháp giao thông sạch.

Phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, với lượng phát thải CO2 cao, đang góp phần gây biến đổi khí hậu và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc phát triển xe điện, xe hybrid và các phương tiện chạy bằng năng lượng mặt trời trở thành một giải pháp thiết yếu nhằm giảm thiểu ô nhiễm, tiết kiệm tài nguyên và hướng tới một nền kinh tế xanh.1 Xe ô tô điện - giải pháp bảo vệ môi trường hiệu quả Bên cạnh sự phát triển của phương tiện, cơ sở hạ tầng hỗ trợ – đặc biệt là hệ thống sạc công cộng – cũng đang được mở rộng mạnh mẽ tại nhiều quốc gia. Các chính sách khuyến khích như trợ giá, miễn giảm thuế và hạn chế phương tiện chạy xăng dầu tại các đô thị lớn càng đẩy nhanh xu thế chuyển dịch sang giao thông điện khí hóa. Xe điện ngày càng phổ biến không chỉ nhờ đặc tính thân thiện với môi trường mà còn nhờ hiệu suất cao và khả năng vận hành mượt mà.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Đề tài được xây dựng trong bối cảnh nhu cầu phát triển và tối ưu hóa các hệ thống truyền động điện cho xe điện ngày càng trở nên cấp thiết, khi thế giới đang hướng đến 1 các giải pháp giao thông bền vững và thân thiện với môi trường.

Trong số các loại động cơ điện được ứng dụng rộng rãi, động cơ IPMSM đang ngày càng chiếm ưu thế nhờ hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt và mật độ công suất lớn. Nhiều mẫu xe điện thương mại như Nissan Leaf, Renault Zoe, Hyundai Ioniq EV hay BYD e6 đều đã ứng dụng loại động cơ này.1 trình bày thông số kỹ thuật tổng hợp từ một số mẫu xe điện tiêu biểu, được xem là gần với phạm vi thiết kế mục tiêu của đề tài. Công suất Mô-men Tốc độ cơ Tốc độ định Cặp Tên xe (kW) (N.1 Các mẫu xe điện có thông số động cơ gần với yêu cầu đề tài Từ bảng 1.1 có thể thấy, dải công suất 54–80 kW và mô-men xoắn 220–350 N.m là phổ biến đối với xe điện cỡ nhỏ và trung. Tuy nhiên, phần lớn các mẫu xe không công bố chi tiết cấu trúc động cơ như hình dạng rotor, chiều dài cực từ, loại vật liệu từ hay phân bố nam châm vĩnh cửu.

Sự thiếu hụt thông tin này là trở ngại lớn trong mô phỏng phần tử hữu hạn, do các thông số hình học và đặc tính vật liệu là đầu vào then chốt để xây dựng mô hình chính xác. Từ thực tiễn đó, đề tài đặt ra câu hỏi nghiên cứu trọng tâm: Với thông tin hạn chế từ nhà sản xuất, làm thế nào để xây dựng mô hình động cơ IPMSM đủ chính xác cho mô phỏng và thiết kế hệ điều khiển? 1.3 Yêu cầu của nghiên cứu Đề tài “Mô phỏng đa vật lý động cơ IPMSM trong hệ truyền động xe điện” nhằm xây dựng mô hình toán học đầy đủ cho động cơ IPMSM, kết hợp mô phỏng điện từ bằng phần mềm JMAG và tích hợp vào môi trường Matlab/Simulink để thực hiện đồng mô phỏng. Thông qua đó, các chỉ tiêu vận hành như mô-men, từ thông, dòng và tốc độ được đánh giá trong nhiều chế độ làm việc. Cách tiếp cận tích hợp này giúp nâng cao độ chính xác mô hình, tạo nền tảng cho phát triển các chiến lược điều khiển hiện đại, đặc biệt trong ứng dụng truyền động điện sử dụng năng lượng sạch.4 Kết luận Để giải quyết vấn đề nêu trên, đề tài tập trung thực hiện chuỗi các nhiệm vụ: 1.

Thu thập và phân tích thông số kỹ thuật sơ cấp của động cơ được sử dụng trong 2 một số mẫu xe điện thương mại. Các thông số bao gồm: • Công suất định mức, mô-men xoắn cực đại; • Tốc độ cơ bản và tốc độ cực đại; • Điện áp danh định, dòng điện cực đại; • Số cặp cực và kiểu cấp nguồn; • Các thông số thiết kế cơ bản (nếu có).