Tổng quan luận án
Động cơ từ trở chuyển mạch (Switched Reluctance Motor - SRM) là loại máy điện có kết cấu cơ khí đơn giản, không sử dụng dây quấn hay nam châm vĩnh cửu trên rotor, độ bền cơ học cao, chi phí sản xuất thấp, dải điều chỉnh tốc độ rộng và khả năng chịu quá tải ngắn hạn tốt. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi từ trở theo vị trí góc quay rotor khiến SRM có nhược điểm cố hữu là độ nhấp nhô mômen lớn, phát sinh rung động cơ học và tiếng ồn cao trong quá trình vận hành. Tại Việt Nam, các đơn vị chế tạo máy điện truyền thống như Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) hay Công ty Cổ phần Chế tạo Máy điện Việt Nam – Hungary (VIHEM) chủ yếu sản xuất động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Việc tính toán, thiết kế và tối ưu hóa kết cấu hình học của SRM nhằm hạn chế độ nhấp nhô mômen chưa được nghiên cứu và chuẩn hóa một cách toàn diện.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm ba nội dung chính:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator / bước cực stator ($\alpha_s$) và tỉ lệ góc cực rotor / bước cực rotor ($\alpha_r$) đến mômen trung bình của động cơ SRM 3 pha.
- Nghiên cứu sự tác động của góc cực rotor ($\beta_r$) đến độ nhấp nhô mômen của động cơ SRM 3 pha thông qua phân tích thành phần sóng hài.
- Đề xuất mối quan hệ ràng buộc giữa góc đóng ($\theta_{off}$), góc mở ($\theta_{on}$) dòng điện cấp nguồn với kích thước góc cực stator ($\beta_s$) và góc cực rotor ($\beta_r$) của SRM 3 pha nhằm loại bỏ vùng phát sinh mômen âm, nâng cao mômen trung bình sinh ra.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hai cấu hình động cơ từ trở chuyển mạch ba pha:
- Động cơ SRM 12/8 (12 cực stator, 8 cực rotor), công suất định mức 1,5 kW, tốc độ định mức 1500 vòng/phút.
- Động cơ SRM 6/4 (6 cực stator, 4 cực rotor), công suất định mức 30 kW, tốc độ định mức 15000 vòng/phút.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát, tính toán các thông số hình học của cực stator và cực rotor (góc cực, bước cực, tỉ lệ góc cực/bước cực) kết hợp với thuật toán đóng mở dòng điện kích từ, nhằm mục đích cải thiện mômen trung bình và giảm thiểu nhấp nhô mômen trên trục động cơ.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Lịch sử phát triển của SRM bắt đầu từ năm 1838 khi Davidson (người Scotland) phát minh ra mẫu động cơ từ trở đầu tiên, tiếp đó Aberdeen và Davidson chế tạo mô hình thực nghiệm vào năm 1842. Do hạn chế về linh kiện bán dẫn và công nghệ điều khiển thời kỳ đó, SRM chưa thể phát triển thương mại. Đến thập niên 1950 và 1960, các công trình của Nasar đã hệ thống hóa đặc tính chuyển mạch và bản chất từ trở của máy điện. Năm 1983, hãng TASC Drives thương mại hóa dòng sản phẩm SRD-OULTON. Từ đó, SRM trở thành đối tượng nghiên cứu ứng dụng cho xe điện, máy nén khí, hệ thống phát điện gió và thiết bị gia dụng.
Để khắc phục nhược điểm về độ nhấp nhô mômen và tiếng ồn, các công trình khoa học trên thế giới đã triển khai nhiều hướng tiếp cận kết cấu:
- Cấu trúc stator kép và chèn phiến ngăn stator nhằm phân bố lại mật độ từ trường.
- Làm rãnh nghiêng trên stator hoặc rotor (skewing) đối với SRM 12/8 để làm mịn đường đặc tính điện cảm.
- Thay đổi hình học rotor: đục lỗ trên gông rotor SRM 8/6, khía rãnh trên cực rotor SRM 8/6, tạo cánh phụ trên mỏm cực rotor, thiết kế bề mặt cực dạng lõm hoặc mỏm cực chữ T và hình thang.
- Kết hợp nam châm vĩnh cửu phụ trợ đặt tại gông hoặc trên các cực stator của SRM 12/8 và SRM 12/10.
Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là: Các nghiên cứu kết cấu phức tạp (như gắn nam châm, đục lỗ, làm rãnh nghiêng) thường làm tăng độ phức tạp gia công cơ khí và giá thành chế tạo. Luận án lựa chọn hướng đi tối ưu hóa các thông số hình học cơ bản sẵn có của cực stator và rotor (cụ thể là tỉ lệ góc cực trên bước cực $\alpha_s, \alpha_r$ và góc cực $\beta_s, \beta_r$) kết hợp xây dựng mô hình giải tích chuỗi Fourier để định lượng trực tiếp các sóng hài mômen, đồng thời xác lập quan hệ phối hợp giữa góc điều khiển đóng mở dòng điện ($\theta_{on}, \theta_{off}$) với góc cực máy điện.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và nguyên lý sinh mômen
Luận án vận dụng lý thuyết biến đổi năng lượng điện cơ cho hệ thống từ trường phi tuyến bão hòa. Biểu thức mômen điện từ tức thời của một pha động cơ SRM được xác định thông qua đạo hàm riêng của đối năng lượng từ trường ($W'_f$) theo vị trí góc quay rotor ($\theta$):
$$T = \left. \frac{\partial W'f(i, \theta)}{\partial \theta} \right|{i = \text{const}}$$
Trong vùng làm việc tuyến tính (chưa bão hòa từ), điện cảm pha $L(\theta)$ không phụ thuộc dòng điện, mômen được tính theo biểu thức:
$$T = \frac{1}{2} i^2 \frac{dL(\theta)}{d\theta}$$
Theo biểu thức trên, chiều của mômen chỉ phụ thuộc vào dấu của đạo hàm $\frac{dL(\theta)}{d\theta}$, không phụ thuộc vào chiều dòng điện kích từ. Do đó, để tạo ra mômen dương liên tục (chế độ động cơ), dòng điện pha phải được cấp vào cuộn dây trong khoảng góc quay mà điện cảm đang tăng ($\frac{dL}{d\theta} > 0$) và phải ngắt hoàn toàn trước khi điện cảm chuyển sang giai đoạn giảm ($\frac{dL}{d\theta} < 0$).
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp đồng thời ba phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp giải tích và mạch từ tương đương:
- Phân đoạn không gian từ trường tại vị trí cực stator và cực rotor lệch trục hoàn toàn thành 7 đường dẫn từ thông ($\phi_1$ đến $\phi_7$) để tính toán điện cảm cực tiểu $L_{min}$ (hoặc $L_u$).
- Tính toán điện cảm cực đại $L_{max}$ (hoặc $L_a$) tại vị trí đồng trục hoàn toàn, có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông qua đường cong từ hóa $B-H$ thực tế của thép kỹ thuật điện M19-24G thông qua thuật toán lặp xác định mật độ từ cảm cực stator $B_{sp}$.
- Khai triển hàm điện cảm $L(\theta)$ và dạng sóng mômen $T(\theta)$ dưới dạng chuỗi Fourier để phân tích biên độ và góc pha của từng bậc sóng hài mômen.
- Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM):
- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng Ansys Maxwell và Motor-CAD để xây dựng mô hình 2D, mô phỏng trường điện từ, tính toán sự phân bố mật độ từ thông, đặc tính dòng điện, từ thông móc vòng $\psi(i, \theta)$, đường đặc tính mômen tĩnh và mômen động.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:
- Chế tạo và thử nghiệm mẫu động cơ SRM 12/8 công suất 1,5 kW, tốc độ 1500 vòng/phút.
- Sử dụng bộ nghịch lưu bất đối xứng, cảm biến góc quay encoder, cảm biến mômen - tốc độ chuyên dụng và bộ thu thập xử lý dữ liệu để kiểm chứng các đường đặc tính khởi động, phân bố mômen theo thời gian và đặc tính mômen - tốc độ thực tế.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa lịch sử hình thành, phân loại máy điện từ trở (SRM và SyRM), phân tích chi tiết ưu điểm và nhược điểm của SRM. Tác giả tổng hợp các công trình khoa học trong nước và quốc tế liên quan đến các giải pháp giảm nhấp nhô mômen và giảm tiếng ồn. Nội dung chương phân loại các hướng nghiên cứu hiện nay thành hai nhóm: nhóm giải pháp tác động vào thuật toán điều khiển (điều khiển dòng điện, điều khiển góc đóng mở, phân bố mômen TSF) và nhóm giải pháp thay đổi kết cấu hình học máy điện (làm nghiêng cực, tạo khía rãnh, khoét lỗ gông, bố trí nam châm vĩnh cửu). Qua đánh giá các kết quả đã công bố, chương 1 xác định sự cần thiết phải nghiên cứu tối ưu hóa hình học góc cực stator và rotor trên nền tảng phân tích sóng hài Fourier và giải tích mạch từ phi tuyến.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình toán SRM
Chương 2 trình bày chi tiết về kết cấu phần cứng, nguyên lý cấp dòng đơn cực thông qua bộ biến đổi bán dẫn cầu H bất đối xứng (Asymmetric Bridge Converter), trong đó mỗi pha sử dụng hai khóa chuyển mạch bán dẫn và hai diode hồi năng lượng.
Nội dung chương phân tích điều kiện hình học để động cơ có thể tự khởi động tại mọi vị trí và quay liên tục theo một chiều xác định:
$$\beta_s + \beta_r > \frac{2\pi}{q \cdot N_r}$$
Trong đó $q$ là số pha, $N_r$ là số cực rotor. Đồng thời, góc cực stator phải thỏa mãn điều kiện không vượt quá bước cực rotor để tránh hiện tượng ngắn mạch từ trường.
Mô hình toán học hoàn chỉnh của động cơ SRM ba pha được thiết lập dựa trên hệ phương trình vi phân điện áp pha:
$$u_k = R_k i_k + \frac{d\psi_k(i_k, \theta)}{dt} = R_k i_k + \frac{\partial \psi_k}{\partial i_k} \frac{di_k}{dt} + \frac{\partial \psi_k}{\partial \theta} \frac{d\theta}{dt}$$
Trong đó thành phần $\frac{\partial \psi_k}{\partial \theta} \frac{d\theta}{dt}$ chính là sức điện động cảm ứng do chuyển động quay. Luận án cũng khảo sát mô hình có xét đến hỗ cảm giữa các pha dây quấn lân cận ($M_{ab}, M_{bc}, M_{ca}$) và xây dựng cấu trúc mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink.
Chương 3: Mômen trung bình và nhấp nhô mômen trong SRM
Chương 3 là trọng tâm lý thuyết của luận án, tập trung vào việc tính toán giải tích mạch từ và phân tích sóng hài mômen:
+----------------------------------------------+
| Khảo sát cấu trúc hình học SRM (6/4, 12/8) |
+----------------------------------------------+
|
v
+-------------------------------+-------------------------------+
| |
v v
+------------------------------------+ +------------------------------------+
| Vị trí lệch trục hoàn toàn | | Vị trí đồng trục hoàn toàn |
| Phân tích 7 đường dẫn từ thông | | Mạch từ bão hòa phi tuyến |
| $\phi_1 \to \phi_7$ qua rãnh cực | | Dùng đường cong B-H thép M19-24G |
| -> Xác định điện cảm cực tiểu Lmin | | -> Thuật toán lặp tính Lmax |
+------------------------------------+ +------------------------------------+
| |
+-------------------------------+-------------------------------+
|
v
+----------------------------------------------+
| Mô hình hóa hàm điện cảm L(θ) chuỗi Fourier |
+----------------------------------------------+
|
v
+----------------------------------------------+
| Khai triển chuỗi Fourier sóng hài mômen |
| T(θ) = Tavg + Σ [An cos(nθ) + Bn sin(nθ)] |
+----------------------------------------------+
|
v
+----------------------------------------------+
| Đánh giá ảnh hưởng của: |
| 1. Tỉ lệ αs, αr đến mômen trung bình Tavg |
| 2. Góc cực βr đến biên độ sóng hài An, Bn |
| 3. Góc mở θon, góc đóng θoff triệt mômen âm |
+----------------------------------------------+
- Tính toán điện cảm qua mạch từ tương đương:
- Tại vị trí lệch trục hoàn toàn: Từ trường phân bố phức tạp trong không gian khe hở và rãnh giữa các cực. Tác giả chia từ trường thành 7 đường dẫn từ thông độc lập ($\phi_1$ đến $\phi_7$), tính toán từ trở của từng nhánh tương ứng ($R_{g1} \to R_{g7}, R_{sp1} \to R_{sp7}, R_{rp1} \to R_{rp7}, R_{sy1} \to R_{sy7}, R_{ry1} \to R_{ry7}$) và tính tổng các thành phần điện cảm phân đoạn để thu được $L_{min} = \sum_{k=1}^{7} L_{uk}$.
- Tại vị trí đồng trục hoàn toàn: Mạch từ đi qua gông và thân cực bị bão hòa. Luận án xây dựng thuật toán lặp phi tuyến đối chiếu với đường đặc tính $B-H$ của vật liệu M19-24G để xác định chính xác giá trị $L_{max}$.
| Đường dẫn |
Vùng phân bố từ thông chính |
Đặc điểm từ trở khe hở không khí |
| $\phi_1$ |
Giữa đỉnh cực stator và đỉnh cực rotor |
Chiều dài khe hở $g_1$ lớn nhất khi lệch trục |
| $\phi_2$ |
Giữa đỉnh cực stator và cạnh bên cực rotor |
Phụ thuộc góc quay $\theta$ và chiều cao cực rotor $h_r$ |
| $\phi_3$ |
Giữa đỉnh cực stator và rãnh đáy rotor |
Đường dẫn qua không khí có bán kính cong |
| $\phi_4$ |
Giữa cạnh bên cực stator và mỏm cực rotor |
Tác động trực tiếp bởi góc cực stator $\beta_s$ |
| $\phi_5$ |
Giữa cạnh bên cực stator và cạnh bên rotor |
Đi qua toàn bộ chiều sâu rãnh cực $h_s, h_r$ |
| $\phi_6$ |
Giữa hai cạnh bên của hai cực stator lân cận |
Đường rò stator qua không khí |
| $\phi_7$ |
Khép kín qua gông và rãnh cực stator |
Từ thông rò giữa các pha không qua rotor |
-
Ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực / bước cực:
- Khảo sát tỉ lệ góc cực stator trên bước cực stator $\alpha_s = \beta_s / \tau_s$ và tỉ lệ góc cực rotor trên bước cực rotor $\alpha_r = \beta_r / \tau_r$.
- Đối với SRM 6/4 ($\tau_s = 60^\circ, \tau_r = 90^\circ$): Khi tăng $\alpha_s$ và $\alpha_r$, mômen trung bình $T_{avg}$ tăng dần và đạt giá trị cực đại tại vùng tỉ lệ nhất định trước khi suy giảm do diện tích rãnh quấn dây bị thu hẹp gây bão hòa từ sớm.
- Đối với SRM 12/8 ($\tau_s = 30^\circ, \tau_r = 45^\circ$): Luận án xác định khoảng biến thiên tối ưu của $\alpha_s$ và $\alpha_r$ để cực đại hóa mômen trung bình.
-
Phân tích quan hệ góc đóng, góc mở dòng điện:
- Khi góc cực rotor lớn hơn góc cực stator ($\beta_r > \beta_s$), vùng điện cảm cực đại tồn tại một đoạn nằm ngang có độ rộng $(\beta_r - \beta_s)$.
- Nếu góc đóng $\theta_{off}$ kéo dài vượt quá vị trí bắt đầu giảm của điện cảm, dòng điện chưa kịp suy giảm về 0 sẽ sinh ra mômen âm lớn. Luận án thiết lập công thức xác định góc mở $\theta_{on}$ và góc đóng $\theta_{off}$ phụ thuộc vào tốc độ góc $\omega$, điện áp nguồn $U_{dc}$, biên độ dòng điện $I$ và các góc cực $\beta_s, \beta_r$.
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm
Chương 4 thực hiện việc mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Motor-CAD và tiến hành thực nghiệm trên hệ thống đo kiểm thực tế.
- Kết quả mô phỏng trên phần mềm Motor-CAD:
- Đối với SRM 6/4 ($P = 30\text{ kW}, n = 15000\text{ v/p}$): Khảo sát với $\beta_s = 30^\circ$, góc cực rotor $\beta_r$ thay đổi từ $30^\circ$ đến $36^\circ$. Khi $\beta_r = 32^\circ \div 34^\circ$, biên độ các sóng hài bậc cao của mômen giảm rõ rệt, độ nhấp nhô mômen giảm trong khi mômen trung bình duy trì ở mức cao.
- Đối với SRM 12/8 ($P = 1,5\text{ kW}, n = 1500\text{ v/p}$): Khảo sát với góc cực stator cố định $\beta_s = 15^\circ$, quét góc cực rotor $\beta_r$ từ $15^\circ$ đến $21^\circ$ tại hai chế độ dòng điện kích từ $I = 50\text{ A}$ và $I = 60\text{ A}$.
| Cấu hình SRM 12/8 ($\beta_s = 15^\circ$) |
Góc cực rotor $\beta_r$ |
Mômen trung bình $T_{avg}$ (Nm) |
Độ nhấp nhô mômen $T_{ripple}$ (%) |
Hiệu suất $\eta$ (%) |
| Mẫu 1 |
$15^\circ$ |
9,12 |
142,5 |
82,4 |
| Mẫu 2 |
$16^\circ$ |
9,45 |
128,3 |
83,1 |
| Mẫu 3 |
$17^\circ$ |
9,78 |
112,6 |
83,8 |
| Mẫu 4 (Tối ưu) |
$18^\circ$ |
10,05 |
95,4 |
84,2 |
| Mẫu 5 |
$19^\circ$ |
9,82 |
104,2 |
83,7 |
| Mẫu 6 |
$20^\circ$ |
9,51 |
118,7 |
82,9 |
| Mẫu 7 |
$21^\circ$ |
9,18 |
131,0 |
82,0 |
Kết quả mô phỏng khẳng định: Cấu hình $\beta_s = 15^\circ, \beta_r = 18^\circ$ cho giá trị mômen trung bình cao nhất ($10,05\text{ Nm}$) và độ nhấp nhô mômen nhỏ nhất ($95,4%$).
- Kết quả thực nghiệm trên mẫu động cơ SRM 12/8:
- Hệ thống thực nghiệm gồm: Động cơ mẫu SRM 12/8, bộ biến đổi công suất, card DSP điều khiển, tải máy phát một chiều kết hợp cảm biến đo mômen xoắn và tốc độ.
- Thực nghiệm 1 (Đo tốc độ và mômen theo thời gian): Động cơ khởi động êm, đáp ứng tốc độ đạt giá trị đặt 1500 vòng/phút, dạng sóng mômen đo được bám sát quy luật tính toán lý thuyết.
- Thực nghiệm 2 (Đo đặc tính cơ mômen - tốc độ): Số liệu đo đạc thực tế so với kết quả mô phỏng Motor-CAD cho thấy sự sai lệch về mômen trung bình dưới $5%$, xác nhận độ tin cậy của phương pháp tính toán giải tích mạch từ và mô hình mô phỏng.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:
- Phương pháp đánh giá sóng hài mômen: Sử dụng công cụ khai triển chuỗi Fourier mômen để phân tích định lượng ảnh hưởng của kích thước góc cực rotor ($\beta_r$) đến các thành phần sóng hài biên độ cao. Kết quả chứng minh việc chọn $\beta_r > \beta_s$ tạo ra vùng duy trì điện cảm cực đại, giúp dòng điện pha giảm về 0 trước khi bước vào vùng điện cảm giảm, từ đó giảm đáng kể biên độ sóng hài bậc cao và giảm độ nhấp nhô mômen tổng.
- Quy luật lựa chọn tỉ lệ góc cực trên bước cực: Đã xác lập quy luật biến thiên của mômen trung bình theo tỉ lệ $\alpha_s$ và $\alpha_r$. Đề xuất vùng giá trị tối ưu của góc cực stator và góc cực rotor cho động cơ SRM 3 pha:
- Với SRM 6/4: Cấu hình tối ưu đạt được khi $\beta_s = 30^\circ$ và $\beta_r = 32^\circ \div 34^\circ$.
- Với SRM 12/8: Cấu hình tối ưu đạt được khi $\beta_s = 15^\circ$ và $\beta_r = 18^\circ$ (tương ứng $\alpha_s = 0,5$ và $\alpha_r = 0,4$).
- Quy tắc xác lập góc đóng mở dòng điện: Đưa ra mối quan hệ giải tích ràng buộc giữa góc mở $\theta_{on}$, góc đóng $\theta_{off}$ với các thông số kết cấu $\beta_s, \beta_r$. Thiết lập công thức cài đặt góc chuyển mạch tự động theo tốc độ và tải để triệt tiêu hoàn toàn mômen âm, nâng cao hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ truyền động.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của luận án: Các thử nghiệm thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở việc kiểm chứng trên mẫu động cơ SRM 12/8 công suất nhỏ ($1,5\text{ kW}$), chưa chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng trên mẫu SRM 6/4 công suất lớn ($30\text{ kW}$) hoạt động ở dải siêu tốc độ ($15000\text{ v/p}$) do giới hạn về trang thiết bị thí nghiệm tải cao tốc. Mô hình tính toán giải tích mạch từ 7 đường dẫn chưa xét đến hiệu ứng từ trường tản 3D phức tạp tại hai đầu bối dây và ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến đặc tính từ hóa của lõi thép.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp đồng thời trường điện từ, trường nhiệt độ và dao động cơ học (bài toán đa vật lý).
- Nghiên cứu chế tạo mẫu và thực nghiệm đối với các cấu hình SRM công suất lớn dùng cho hệ thống truyền động xe điện thực tế.
- Tích hợp thuật toán điều khiển thích nghi tự động điều chỉnh góc $\theta_{on}, \theta_{off}$ theo thời gian thực trên vi điều khiển chuyên dụng.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao đối với các nhóm đối tượng:
- Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy điện: Cung cấp tài liệu hướng dẫn và quy trình tính toán chi tiết kích thước mạch từ, các bảng tra cứu tỉ lệ góc cực tối ưu và bộ chương trình giải thuật tính toán điện cảm cực đại, cực tiểu viết bằng ngôn ngữ MATLAB.
- Nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện, Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp luận phân tích sóng hài mômen dạng giải tích, kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn trên Ansys Maxwell, Motor-CAD và kỹ thuật đo kiểm thực nghiệm hệ truyền động động cơ từ trở.
- Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển truyền động: Cung cấp quy luật giải tích để thiết lập góc đóng mở dòng điện tối ưu trong phần mềm nhúng của các bộ điều khiển động cơ SRM thương mại.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao việc thiết kế góc cực rotor lớn hơn góc cực stator ($\beta_r > \beta_s$) lại giúp giảm nhấp nhô mômen ở SRM?
Khi $\beta_r > \beta_s$, trên đường đặc tính điện cảm theo vị trí góc quay sẽ xuất hiện một khoảng góc bằng $(\beta_r - \beta_s)$ mà tại đó diện tích đối diện giữa cực stator và cực rotor đạt cực đại và không đổi ($L = L_{max}$). Khoảng này tạo ra thời gian trễ cần thiết cho phép dòng điện pha sau khi ngắt (tại góc $\theta_{off}$) kịp suy giảm hoàn toàn về 0 trước khi rotor quay vào vùng điện cảm giảm ($\frac{dL}{d\theta} < 0$). Nhờ đó, động cơ không bị sinh ra mômen âm hãm trục, giúp giảm độ nhấp nhô mômen và nâng cao mômen trung bình.
2. Mục đích của việc phân chia 7 đường dẫn từ thông ($\phi_1$ đến $\phi_7$) trong luận án là gì?
Tại vị trí lệch trục hoàn toàn, từ trường không đi thẳng qua khe hở không khí thông thường mà tản qua nhiều không gian rãnh cực, cạnh bên cực và gông máy điện. Việc phân chia thành 7 đường dẫn hình học tương đương cho phép lập công thức giải tích tính toán chính xác từ trở phi tuyến của từng phần tử, từ đó tính được giá trị điện cảm cực tiểu $L_{min}$ bằng phương pháp giải tích với sai số thấp so với mô phỏng FEM mà không cần giải hệ phương trình trường vi phân phức tạp.
3. Tỉ lệ $\alpha_s$ và $\alpha_r$ ảnh hưởng như thế nào đến khả năng sinh mômen của SRM?
Tỉ lệ $\alpha_s = \beta_s / \tau_s$ và $\alpha_r = \beta_r / \tau_r$ quyết định độ rộng bề mặt cực và không gian rãnh quấn dây. Nếu tỉ lệ quá nhỏ, diện tích dẫn từ nhỏ làm từ thông bão hòa sớm, biên độ điện cảm $L_{max}$ thấp dẫn đến mômen sinh ra nhỏ. Nếu tỉ lệ quá lớn, không gian rãnh quấn dây bị thu hẹp (phải giảm tiết diện hoặc số vòng dây dẫn đến tăng mật độ dòng và nhiệt), đồng thời từ thông rò giữa các cực tăng lên làm tăng $L_{min}$. Do đó, luôn tồn tại một cặp giá trị tỉ lệ tối ưu để cực đại hóa độ chênh lệch $(L_{max} - L_{min})$ và mômen trung bình.
4. Phương pháp nào được sử dụng để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình lý thuyết trong luận án?
Tác giả đã sử dụng phương pháp kiểm chứng ba cấp: (1) Tính toán giải tích bằng thuật toán lặp trên MATLAB kết hợp phân tích chuỗi Fourier; (2) Mô phỏng số 2D bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Motor-CAD và Ansys Maxwell; (3) Thí nghiệm đo đạc thực tế trên mẫu động cơ SRM 12/8 công suất 1,5 kW. Sai lệch giữa kết quả tính toán mô phỏng và số liệu thực nghiệm đo được trên trục tải đều dưới $5%$.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Đinh Hải Lĩnh đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao mômen trung bình và giảm thiểu độ nhấp nhô mômen cho động cơ từ trở chuyển mạch ba pha bằng giải pháp tối ưu hóa kết cấu hình học cực máy điện. Bằng việc kết hợp phương pháp giải tích mạch từ 7 đường dẫn, phân tích sóng hài chuỗi Fourier, mô phỏng trường phần tử hữu hạn và thử nghiệm thực nghiệm trên mẫu động cơ SRM 12/8, công trình đã xác định được cấu hình góc cực tối ưu ($\beta_s = 15^\circ, \beta_r = 18^\circ$ cho SRM 12/8 và $\beta_s = 30^\circ, \beta_r = 32^\circ \div 34^\circ$ cho SRM 6/4) cùng quy luật điều khiển góc đóng mở dòng điện tương ứng. Các kết quả của luận án cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật giá trị, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế, chế tạo và làm chủ công nghệ sản xuất động cơ từ trở trong nước.
