Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện của nghiên cứu sinh Đinh Hải Lĩnh với đề tài "Nghiên cứu kết cấu động cơ từ trở để cải thiện đặc tính mômen", được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2022 dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thế Công và PGS. Phạm Văn Bình (Mã số chuyên ngành: 9520201). Luận án thuộc hướng nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa giải tích, mô phỏng số phần tử hữu hạn và kiểm chứng thực nghiệm trên đối tượng động cơ từ trở chuyển mạch (Switched Reluctance Motor - SRM).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Động cơ từ trở chuyển mạch (SRM) là loại máy điện có kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí chế tạo thấp, mômen khởi động lớn, dải điều chỉnh tốc độ rộng, độ bền cơ học cao và tổn hao nhiệt tập trung chủ yếu ở phần tĩnh (stator). Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi từ trở theo bước cực dẫn đến hai nhược điểm lớn: độ nhấp nhô mômen cao và độ rung ồn lớn. Tại Việt Nam, các đơn vị chế tạo máy điện lớn như Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) và Công ty Cổ phần Chế tạo Máy điện Việt Nam – Hungary (VIHEM) chủ yếu sản xuất các dòng máy điện truyền thống (không đồng bộ rotor lồng sóc, đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều). Việc nghiên cứu chế tạo SRM trong nước mới dừng ở mức đơn chiếc phục vụ nghiên cứu và chưa có tài liệu hướng dẫn quy chuẩn về tính toán, thiết kế tối ưu hóa kết cấu hình học stator - rotor nhằm hạn chế độ nhấp nhô mômen.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định gồm:

  • Thiếu các phân tích định lượng chi tiết về mối quan hệ giữa kích thước hình học góc cực rotor với biên độ các thành phần sóng hài mômen thông qua giải tích chuỗi Fourier.
  • Chưa làm rõ quy luật tác động của tỉ lệ góc cực/bước cực stator ($\alpha_s$) và rotor ($\alpha_r$) đến việc cực đại hóa giá trị mômen trung bình.
  • Chưa xây dựng được mối quan hệ hàm số ràng buộc cụ thể giữa góc đóng ($\theta_{off}$), góc mở ($\theta_{on}$) của dòng điện kích từ với các góc cực hình học stator ($\beta_s$), rotor ($\beta_r$) nhằm triệt tiêu hoàn toàn vùng sinh mômen âm.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác lập 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ góc cực stator / bước cực stator ($\alpha_s = \beta_s / \tau_s$) và tỉ lệ góc cực rotor / bước cực rotor ($\alpha_r = \beta_r / \tau_r$) đến mômen trung bình của SRM ba pha.
  2. Nghiên cứu sự tác động của góc cực rotor ($\beta_r$) đến độ nhấp nhô mômen của SRM ba pha thông qua phân tích sóng hài Fourier.
  3. Đề xuất mối quan hệ ràng buộc toán học giữa góc đóng ($\theta_{off}$), góc mở dòng điện ($\theta_{on}$) với góc cực stator ($\beta_s$) và rotor ($\beta_r$) của SRM ba pha để ngăn chặn sự xuất hiện của điểm mômen âm trên đường đặc tính, tránh làm suy giảm mômen trung bình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ từ trở chuyển mạch 3 pha với hai cấu hình tiêu chuẩn:
    • Cấu hình SRM 12/8 (12 cực stator, 8 cực rotor), công suất định mức 1,5 kW, tốc độ định mức 1500 vòng/phút.
    • Cấu hình 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: Tối ưu hóa kích thước hình học kết cấu stator và rotor (góc cực, bước cực) và quy luật điều khiển góc chuyển mạch nhằm cải thiện mômen trung bình và giảm độ nhấp nhô mômen trong hệ truyền động SRM ba pha.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các công trình đã công bố về SRM chủ yếu tiếp cận theo hướng thuật toán điều khiển:

  • Tạ Cao Minh và cộng sự (2009, 2011): Nghiên cứu mô hình hóa, mô phỏng và đề xuất giải pháp điều khiển SRM 6/4 công suất 60 kW ở tốc độ cao; áp dụng kỹ thuật điều khiển trực tiếp mômen (TDF) dựa trên đặc tính điện cảm phi tuyến để giảm nhấp nhô mômen.
  • Bùi Minh Định và cộng sự (2012, 2013, 2014, 2015): Đi sâu vào tính toán tổn hao lõi thép cho SRM 30 kW ở tốc độ cao (50000 vòng/phút); tối ưu hóa mômen khởi động qua phương án gia tốc; tính toán tối ưu góc đóng mở dòng điện cho hệ máy phát/động cơ từ trở (SR S/G); mô phỏng rung ồn và phân tích cộng hưởng âm học để hiệu chỉnh kết cấu vỏ và stator.
  • Lê Quốc Dũng (2014): Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển SRM ở dải tốc độ thấp bằng phương pháp cho hai pha đồng dẫn cùng sinh mômen trong vùng chuyển tiếp.
  • Đỗ Thanh Tùng, Bùi Minh Định và cộng sự (2017): Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thực nghiệm SRM 5,5 kW ứng dụng cho hệ truyền động máy bơm nước ba pha 4 cực.

Nhìn chung, các nghiên cứu trong nước chưa đi sâu vào việc giải tích mạch từ chi tiết để tối ưu hóa góc cực stator, rotor phục vụ trực tiếp cho việc giảm sóng hài mômen cơ bản.

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các hướng nghiên cứu trên thế giới tập trung vào hai nhóm giải pháp: can thiệp kết cấu cơ điện học và hoàn thiện sách lược điều khiển.

Hướng nghiên cứu Tác giả, tài liệu Giải pháp kỹ thuật Kết quả đạt được / Nhận xét
Biến đổi kết cấu gông và cực Tài liệu [15] Chèn phiến gốm sứ không dẫn từ vào giữa các cực stator Tăng độ cứng stator, giảm rung và giảm ồn trên 10%.
Tài liệu [16] Thiết kế kết cấu stator hình chữ U cho SRM 24/22 Nhấp nhô mômen giảm 70%, nhưng tổn hao đồng tăng 40% làm giảm hiệu suất.
Tài liệu [17], [18], [19] Cấu trúc stator kép (Dual-stator) Tăng lực tiếp tuyến, giảm lực hướng tâm, cải thiện công suất.
Tài liệu [20], [21], [22] Làm nghiêng rãnh/cực stator và rotor (SR-SRM, SS-SRM, SSR-SRM) Giảm ồn và nhấp nhô mômen tốt nhất khi nghiêng cả hai, góc nghiêng stator tối ưu là 20°; tuy nhiên mômen trung bình và hiệu suất bị suy giảm.
Tạo hình mỏm cực rotor Tài liệu [23] Đục lỗ trên gông rotor SRM 8/6 ($h = 19\text{ mm}, r = 7\text{ mm}$) Giảm tiếng ồn 63,32 dB, giảm rung 1,6 mm/s mà không suy giảm công suất ra.
Tài liệu [24] Khía rãnh sâu 2 mm trên cực rotor thuận chiều quay Nhấp nhô mômen giảm 4,4%, mômen trung bình chỉ giảm 0,8%.
Tài liệu [25], [26] Tạo cánh phụ trên mỏm cực rotor Độ nhấp nhô mômen giảm 2,5 lần so với cực thẳng.
Tài liệu [27] Làm lõm mặt cực stator 0,26 mm và làm cực rotor dạng chữ T rộng thêm 1,35° Độ nhấp nhô mômen giảm 23%.
Tối ưu hình học & tỉ số cực Tài liệu [28], [29], [30] Tăng số cực rotor lớn hơn stator (kết cấu SRM 6/10) Mômen cực đại tăng 30 ÷ 47%, mômen trung bình tăng 24 ÷ 51% so với bản 6/4.
Tài liệu [31] Thiết kế cực stator, rotor hình thang trên SRM 8/6 Tối ưu tại $\beta_{s_inner} = 25^\circ$ và $\beta_{r_outer} = 30^\circ$.
Tài liệu [32], [33] Tối ưu đa mục tiêu tỉ số $k_{DL} = 2,64, k_{RS} = 0,65$; chiều dài lõi 156 mm, khe hở 0,5 mm Tối đa hóa mômen trên chiều dài lõi thép, hiệu suất động cơ SRM 18/12 đạt 95%.
Tài liệu [34] Tối ưu SRM xe điện các kết cấu 6/4, 12/8, 18/12, 24/16, 30/20, 36/24 Với cấu hình 12/8, góc cực stator $\beta_s = 15^\circ$ cho nhấp nhô nhỏ nhất, hiệu suất cao nhất.
Tài liệu [35], [37], [38] Ứng dụng thuật toán di truyền (GA) tối ưu kích thước stator/rotor SRM 8/6: $\beta_s = 29,53^\circ, \beta_r = 35,92^\circ$ (giảm nhấp nhô >70%); SRM 12/10: $\alpha_s = \alpha_r = 0,4$.
Bổ sung nam châm vĩnh cửu Tài liệu [39], [40], [41] Gắn nam châm phụ trợ trên gông stator, rãnh stator hoặc giữa các đầu cực Tăng từ thông tổng, giảm bão hòa mạch từ, mômen trung bình tăng tới 75,9%.
Hoàn thiện phương pháp điều khiển Tài liệu [42], [43], [44], [45], [46] Điều khiển băm xung PWM, chuyển pha hai bước (two-step commutation) Giảm độ dốc biến thiên dòng điện pha, triệt tiêu xung lực gây ồn và giảm nhấp nhô mômen.

Vị trí và định vị khoảng trống của luận án

Các công trình quốc tế đã khảo sát nhiều dạng hình học phức tạp (khía rãnh, đục lỗ, gắn nam châm) nhưng thường áp dụng đơn lẻ cho một kích thước cụ thể và làm phức tạp quy trình gia công cơ khí. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán bằng cách tác động trực tiếp vào tỉ lệ hình học góc cực chuẩn ($\beta_s, \beta_r, \alpha_s, \alpha_r$) của hai cấu hình SRM phổ biến nhất (6/4 và 12/8, chiếm 70% ứng dụng thực tế), kết hợp giải tích Fourier sóng hài mômen với ràng buộc góc chuyển mạch điện tử ($\theta_{on}, \theta_{off}$) mà không làm phát sinh chi phí vật liệu bổ sung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  • Nguyên lý cực tiểu từ trở: Rotor không có dây quấn và nam châm; mômen điện từ sinh ra do xu hướng của rotor tự định vị vào vị trí có từ trở nhỏ nhất (vị trí đồng trục với cực stator đang được kích từ).

  • Cân bằng năng lượng điện cơ: Dựa trên phương trình bảo toàn năng lượng trong hệ thống điện từ: $$dW_e = dW_f + dW_{co}$$ Trong đó: $dW_e = u \cdot i , dt$ là vi phân năng lượng điện đầu vào; $dW_f$ là biến thiên năng lượng từ trường tích lũy; $dW_{co} = T , d\theta$ là biến thiên năng lượng cơ.

    Khi xét theo đối năng lượng từ trường ($W'_f$), mômen điện từ tức thời được xác định bởi: $$T = \left. \frac{\partial W'f(i, \theta)}{\partial \theta} \right|{i = \text{const}}$$ Ở vùng tuyến tính chưa bão hòa từ, mômen được tính theo đạo hàm điện cảm: $$T = \frac{1}{2} i^2 \frac{dL(\theta)}{d\theta}$$

  • Quan hệ động học và tần số chuyển mạch:

    • Góc quay của từ trường stator sau mỗi xung: $\theta_s = \frac{360^\circ}{m \cdot N_r}$
    • Góc bước quay của rotor sau mỗi xung: $\theta_r = \frac{360^\circ}{m \cdot N_s}$
    • Tần số đóng cắt xung điện áp trên mỗi pha: $f_s = \frac{n \cdot N_r}{60}$ (với $n$ là tốc độ quay, vòng/phút).

  • Giới hạn hình học góc cực:

    • Điều kiện tự khởi động tại mọi vị trí rotor: $\min(\beta_s, \beta_r) \ge \frac{2\pi}{m \cdot N_r}$
    • Điều kiện mômen không triệt tiêu: $\beta_s \le \frac{2\pi}{N_r} - \beta_r$
    • Quy tắc thiết kế: Chọn $\beta_r > \beta_s$ nhằm tạo vùng bão hòa điện cảm ở vị trí đồng trục, tạo khoảng thời gian trễ đủ để dòng điện pha giảm hoàn toàn về 0 trước khi bước vào sườn dốc giảm của điện cảm ($dL/d\theta < 0$), loại bỏ hoàn toàn mômen âm.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp 3 phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

  1. Phương pháp giải tích và mạch từ tương đương: Xây dựng mô hình mạch từ phân đoạn tương đương cho 7 đường dẫn từ thông ($\phi_1$ đến $\phi_7$) để tính toán chính xác giá trị điện cảm cực đại $L_{max}$ (vị trí đồng trục hoàn toàn) và điện cảm cực tiểu $L_{min}$ (vị trí lệch trục hoàn toàn). Sử dụng đường cong từ hóa thực nghiệm $B-H$ của vật liệu thép kỹ thuật điện M19-24G. Khai triển chuỗi Fourier hàm điện cảm và mômen để xác định biên độ các bậc sóng hài.
  2. Phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEM): Xây dựng mô hình trường từ 2D tĩnh và động trên các phần mềm Ansys Maxwell và Motor-CAD nhằm khảo sát sự phân bố mật độ từ thông, đặc tính từ thông móc vòng $\psi(i, \theta)$, hỗ cảm giữa các pha ($M_{ab}, M_{bc}, M_{ca}$) và đáp ứng mômen tức thời. Mô hình hóa hệ thống điều khiển cầu H bất đối xứng trên Matlab Simulink.
  3. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Thực hiện đo đạc trên bệ thử máy điện SRM 12/8 công suất 1,5 kW. Hệ thống thử nghiệm gồm: động cơ mẫu, bộ biến đổi bán dẫn cầu H, bộ vi điều khiển phát xung, cảm biến vị trí góc quay, cảm biến dòng điện, thiết bị tải và hệ thống thu thập dữ liệu đo mômen - tốc độ theo thời gian.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của SRM từ phát minh đầu tiên của Davidson (1838) đến các cột mốc thương mại hóa như dòng sản phẩm SRD-OULTON của TASC Drives (1983). Phân tích cấu trúc phân loại giữa động cơ từ trở đồng bộ (SyRM) và động cơ từ trở chuyển mạch (SRM). Tổng kết các ứng dụng thực tế theo phân cấp công suất: dải thấp (máy vẽ tọa độ Hewlett-Packard 53W, máy xử lý không khí A.Smith 0,375 kW, xe nâng 1,8 kW); dải trung bình (khai thác mỏ British Jeffrey 150 ÷ 300 kW); dải cao (hệ thống bơm/quạt tới 750 kW); và dải tốc độ cao (điều hòa không khí trên tàu Normalair Garrett 40 kW - 30000 vòng/phút, máy ly tâm Beckman Instruments 2,5 kW - 30000 vòng/phút). Chương 1 khảo sát chi tiết 46 công trình nghiên cứu tiêu biểu trong và ngoài nước, chỉ ra rằng việc giảm rung ồn và nhấp nhô mômen thường phải đánh đổi bằng sự suy giảm mômen trung bình hoặc hiệu suất, từ đó đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời kết cấu góc cực và quy luật đóng mở dòng điện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình toán SRM

Chương 2 trình bày chi tiết cấu tạo cơ điện của SRM 3 pha với mạch từ cực lồi ở cả stator và rotor. Mô tả hoạt động của bộ biến đổi nguồn 3 pha sử dụng sơ đồ cầu H bất đối xứng gồm 6 van bán dẫn có điều khiển và 6 diode hồi tiếp, cho phép hoạt động linh hoạt trên cả 4 góc phần tư (4Q). Phân tích 3 chiến lược điều khiển: điều chỉnh độ rộng xung điện áp (PWM), điều chỉnh biên độ dòng điện (Current Chopping Control - CCC), và điều khiển trực tiếp mômen (DITC).

Xác lập 4 vị trí chuyển động tới hạn của rotor:

  1. Bắt đầu trùng cực: Điện cảm bắt đầu tăng ($dL/d\theta > 0$), mômen nhảy vọt, tương ứng với góc mở dòng điện $\theta_{on}$.
  2. Bắt đầu trùng cực hoàn toàn: Điện cảm đạt cực đại $L_{max}$, $dL/d\theta = 0$, là vị trí thích hợp để ngắt dòng điện ($\theta_{off}$).
  3. Kết thúc trùng cực hoàn toàn: Điện cảm chuẩn bị bước vào sườn dốc giảm ($dL/d\theta < 0$), nếu còn dòng điện dư sẽ sinh mômen âm.
  4. Kết thúc trùng cực (lệch trục hoàn toàn): Điện cảm đạt cực tiểu $L_{min}$, mômen triệt tiêu.

Chương 2 cũng thiết lập không gian tam giác giới hạn hình học góc cực stator và rotor ($ABC$) đảm bảo điều kiện tự khởi động và sinh mômen liên tục.

Chương 3: Mômen trung bình và nhấp nhô mômen trong SRM

Chương 3 tập trung giải bài toán giải tích mạch từ và khai triển sóng hài:

  • Tính toán điện cảm $L_{max}$ và $L_{min}$: Chia mạch từ tại vị trí lệch trục thành 7 đường dẫn từ thông thành phần ($\phi_1$ đến $\phi_7$), tính toán từ trở các đoạn gông stator ($R_{sy}$), cực stator ($R_{sp}$), khe hở không khí ($R_g$), gông rotor ($R_{ry}$), cực rotor ($R_{rp}$) dựa trên đường cong từ hóa vật liệu M19-24G. Điện cảm được biểu diễn dưới dạng hàm số theo vị trí góc quay rotor và chuyển đổi sang chuỗi Fourier tuần hoàn.
  • Phân tích ảnh hưởng của góc cực rotor $\beta_r$ đến sóng hài mômen: Biểu diễn mômen điện từ thành tổng các thành phần điều hòa Fourier bậc cao. Chứng minh rằng việc thay đổi góc cực $\beta_r$ làm thay đổi trực tiếp biên độ các sóng hài mômen, cho phép xác định giá trị $\beta_r$ tối ưu để triệt tiêu các bậc điều hòa chính gây nhấp nhô mômen.
  • Khảo sát tỉ lệ $\alpha_s = \beta_s/\tau_s$ và $\alpha_r = \beta_r/\tau_r$:
    • Đối với cấu hình SRM 6/4: Khảo sát $\alpha_s$ từ 0,45 đến 0,60 và $\alpha_r$ từ 0,45 đến 0,55; xác lập điểm cực đại mômen trung bình.
    • Đối với cấu hình SRM 12/8: Khảo sát quy luật biến thiên của mômen trung bình và hệ số nhấp nhô mômen theo các cặp tỉ lệ $\alpha_s, \alpha_r$.
  • Xác lập mối quan hệ ràng buộc góc chuyển mạch: Thiết lập hàm toán học liên hệ giữa góc mở $\theta_{on}$, góc đóng $\theta_{off}$ với góc cực $\beta_s, \beta_r$. Chứng minh rằng góc dwell $\theta_d = \theta_{off} - \theta_{on}$ phải được giới hạn chặt chẽ theo độ chênh lệch $(\beta_r - \beta_s)$ để đảm bảo dòng điện pha tắt hẳn trước khi rotor vượt qua vị trí kết thúc trùng cực hoàn toàn, ngăn ngừa mômen âm.

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

Chương 4 tiến hành mô phỏng số và đối chứng thực nghiệm:

  • Mô phỏng FEM cho SRM 6/4 (30 kW, 15000 vòng/phút): Cố định góc cực stator $\beta_s = 30^\circ$, thay đổi góc cực rotor $\beta_r$ lần lượt từ $30^\circ, 31^\circ, 32^\circ, 33^\circ, 34^\circ, 35^\circ, 36^\circ$. Kết quả phân tích phổ sóng hài cho thấy khi $\beta_r$ tăng từ $30^\circ$ lên $32^\circ$, biên độ sóng hài bậc cao giảm rõ rệt, mômen trung bình đạt giá trị tối ưu và độ nhấp nhô mômen giảm xuống mức thấp nhất.
  • Mô phỏng FEM cho SRM 12/8 (1,5 kW, 1500 vòng/phút): Cố định góc cực stator $\beta_s = 15^\circ$, khảo sát $\beta_r$ biến thiên từ $15^\circ$ đến $21^\circ$ tại các mức dòng điện định mức $I = 50\text{ A}$ và $60\text{ A}$. Phân tích đối chiếu giữa phương pháp giải tích Fourier và mô phỏng số FEM cho thấy sự trùng khớp cao về biên độ các thành phần sóng hài mômen. Cặp góc tối ưu được xác định là $\beta_s = 15^\circ, \beta_r = 18^\circ$.
  • Thực nghiệm kiểm chứng trên mẫu SRM 12/8 (1,5 kW): Chế tạo mẫu thử nghiệm với kết cấu tối ưu $\beta_s = 15^\circ, \beta_r = 18^\circ$.
    • Thực nghiệm 1: Đo đáp ứng tốc độ và mômen tức thời theo thời gian, kiểm tra tính ổn định của dòng điện khi chuyển mạch.
    • Thực nghiệm 2: Đo đường đặc tính cơ mômen - tốc độ trên toàn dải làm việc. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có độ sai lệch nhỏ, xác nhận tính chính xác của mô hình tính toán.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Ứng dụng thành công phân tích chuỗi Fourier mômen: Xây dựng phương pháp tính toán định lượng biên độ các sóng hài mômen bậc cao của SRM phụ thuộc vào góc cực rotor $\beta_r$, làm cơ sở giải tích chuẩn xác để lựa chọn góc cực rotor nhằm cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen mà không cần dựa hoàn toàn vào phương pháp thử sai trên mô hình số.
  2. Xác định quy luật tối ưu tỉ lệ góc cực / bước cực ($\alpha_s, \alpha_r$): Làm rõ quy luật biến thiên của mômen trung bình theo tỉ lệ góc cực/bước cực stator và rotor trên hai cấu hình phổ biến SRM 6/4 và SRM 12/8. Đưa ra phương pháp xác định miền giá trị tối ưu của $\alpha_s$ và $\alpha_r$ để động cơ đạt mômen trung bình lớn nhất.
  3. Thiết lập quy luật tương quan giữa góc đóng/mở dòng điện và kết cấu góc cực: Xác định tường minh mối quan hệ hàm số giữa góc mở $\theta_{on}$, góc đóng $\theta_{off}$ với góc cực stator $\beta_s$ và rotor $\beta_r$. Quy luật này giải quyết triệt để nguyên nhân sinh ra điểm mômen âm trong quá trình chuyển mạch, giúp tăng mômen trung bình hữu ích và giảm biên độ rung đập mômen.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Cung cấp bộ thông số thiết kế kết cấu hình học tối ưu cho động cơ SRM 3 pha:
    • Cấu hình SRM 6/4 (30 kW, 15000 vòng/phút): Góc cực stator $\beta_s = 30^\circ$, góc cực rotor tối ưu $\beta_r = 32^\circ$.
    • Cấu hình SRM 12/8 (1,5 kW, 1500 vòng/phút): Góc cực stator $\beta_s = 15^\circ$, góc cực rotor tối ưu $\beta_r = 18^\circ$.
  • Đề xuất quy trình thiết kế phối hợp giữa tính toán kích thước mạch từ tĩnh và cài đặt tham số góc đóng/mở ($\theta_{on}, \theta_{off}$) cho bộ điều khiển công suất, hỗ trợ trực tiếp các đơn vị sản xuất máy điện trong nước làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo SRM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc cải thiện đặc tính mômen thông qua kích thước góc cực trên hai kết cấu chuẩn 6/4 và 12/8; chưa mở rộng đánh giá chi tiết trên các cấu hình nhiều pha hoặc số cực lớn hơn như 12/10, 16/20, 36/24.
  • Mô hình mạch từ giải tích 7 đường dẫn từ thông chủ yếu phân tích trong không gian 2D, chưa xét đến hiệu ứng tản từ đầu cuộn dây và từ trường phân tán không gian 3D phức tạp.
  • Thực nghiệm kiểm chứng được thực hiện trên mẫu SRM 12/8 công suất nhỏ (1,5 kW); chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế trên mẫu SRM 6/4 công suất lớn (30 kW, 15000 vòng/phút) do hạn chế về thiết bị tải và nguồn công suất cao ở dải tốc độ lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thuật toán phân tích sóng hài mômen cho các dòng động cơ từ trở nhiều pha (4 pha, 5 pha) và các kết cấu cực không đối xứng.
  • Tích hợp bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp đồng thời giữa đặc tính điện từ, phân bố nhiệt độ và ứng suất cơ học rung ồn trên mô hình 3D toàn diện.
  • Nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi tự động điều chỉnh góc đóng $\theta_{off}$ và góc mở $\theta_{on}$ theo thời gian thực dựa trên phản hồi trực tiếp của tốc độ và dòng điện tải.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong lĩnh vực máy điện và truyền động điện:

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về mô hình hóa mạch từ tương đương phân đoạn, cách thiết lập phương trình điện cảm phi tuyến theo góc quay, và kỹ thuật giải tích chuỗi Fourier để xử lý bài toán sóng hài mômen.
  • Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Cung cấp tài liệu giảng dạy thực hành về thiết kế máy điện trên phần mềm Ansys Maxwell, Motor-CAD và Matlab Simulink, đặc biệt là hệ thống dữ liệu đối chứng giữa giải tích, mô phỏng và thực nghiệm.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và các đơn vị công nghiệp chế tạo máy điện: Cung cấp bảng tra cứu kích thước hình học góc cực chuẩn và công thức ràng buộc góc chuyển mạch bán dẫn, giúp rút ngắn thời gian tính toán thiết kế SRM cho các ứng dụng thực tế như xe điện, quạt công nghiệp, máy nén khí và hệ thống bơm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong thiết kế SRM tác giả luôn chọn góc cực rotor lớn hơn góc cực stator ($\beta_r > \beta_s$)?

Khi góc cực rotor bằng góc cực stator ($\beta_r = \beta_s$), vùng bão hòa điện cảm ở vị trí đồng trục có thời gian tồn tại rất ngắn. Khi van công suất ngắt, dòng điện pha không thể triệt tiêu ngay lập tức mà cần một khoảng thời gian xả năng lượng qua diode. Do đó, dòng điện vẫn tồn tại khi rotor bước vào sườn dốc giảm của điện cảm ($dL/d\theta < 0$), sinh ra mômen âm làm giảm mômen trung bình và tăng nhấp nhô. Khi thiết kế $\beta_r > \beta_s$, giữa vị trí bắt đầu trùng cực hoàn toàn và kết thúc trùng cực hoàn toàn sẽ xuất hiện một vùng duy trì điện cảm bằng phẳng ($dL/d\theta = 0$), cho phép dòng điện giảm về 0 an toàn mà không sinh mômen âm.

2. Hai cấu hình SRM cụ thể được nghiên cứu trong luận án có thông số kỹ thuật như thế nào?

Luận án nghiên cứu hai đối tượng chuẩn đại diện cho hai dải tốc độ:

  • Cấu hình SRM 12/8 (3 pha, 12 cực stator, 8 cực rotor): Công suất định mức 1,5 kW, tốc độ định mức 1500 vòng/phút.
  • Cấu hình SRM 6/4 (3 pha, 6 cực stator, 4 cực rotor): Công suất định mức 30 kW, tốc độ định mức 15000 vòng/phút.

3. Phương pháp mạch từ tương đương trong luận án đã phân chia đường dẫn từ thông như thế nào để tính điện cảm?

Để tính toán điện cảm cực tiểu $L_{min}$ tại vị trí lệch trục hoàn toàn và điện cảm cực đại $L_{max}$ tại vị trí đồng trục hoàn toàn, tác giả phân chia không gian từ trường thành 7 đường dẫn từ thông thành phần ($\phi_1$ đến $\phi_7$) đi qua các phần tử: cực stator ($R_{sp}$), gông stator ($R_{sy}$), khe hở không khí ($R_g$), cực rotor ($R_{rp}$) và gông rotor ($R_{ry}$), kết hợp tra cứu đường cong từ hóa thực nghiệm $B-H$ của thép lá kỹ thuật điện M19-24G.

4. Kết quả lựa chọn góc cực tối ưu cho hai loại động cơ trong luận án là bao nhiêu?

  • Đối với động cơ SRM 6/4: Khi giữ góc cực stator $\beta_s = 30^\circ$, góc cực rotor tối ưu được xác định là $\beta_r = 32^\circ$.
  • Đối với động cơ SRM 12/8: Khi giữ góc cực stator $\beta_s = 15^\circ$, góc cực rotor tối ưu được xác định là $\beta_r = 18^\circ$ (tại các mức dòng kích từ 50 A và 60 A).

5. Vai trò của việc xác lập mối quan hệ giữa góc đóng/mở dòng điện với góc cực stator và rotor là gì?

Góc mở dòng điện $\theta_{on}$ và góc đóng $\theta_{off}$ là hàm số phụ thuộc trực tiếp vào góc cực $\beta_s$ và $\beta_r$. Việc xác lập chính xác quy luật này giúp bộ điều khiển phát xung đóng cắt van bán dẫn đúng thời điểm: cấp dòng tại vị trí bắt đầu tăng điện cảm để sinh mômen dương cực đại, và ngắt dòng kịp thời trong vùng $\beta_r - \beta_s$ để dòng xả hết trước khi điện cảm suy giảm, triệt tiêu hoàn toàn vùng mômen âm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đinh Hải Lĩnh đã giải quyết bài toán cốt lõi về việc cải thiện đặc tính mômen cho động cơ từ trở chuyển mạch 3 pha (SRM 6/4 và SRM 12/8) thông qua tối ưu hóa kết cấu góc cực stator, rotor và xác lập quy luật đóng cắt dòng điện. Bằng việc kết hợp phương pháp giải tích chuỗi Fourier, mô phỏng số trường phần tử hữu hạn 2D trên Ansys Maxwell, Motor-CAD và kiểm chứng thực nghiệm trên mẫu động cơ 1,5 kW, tác giả đã chứng minh hiệu quả của giải pháp chọn góc cực rotor lớn hơn góc cực stator ($\beta_r > \beta_s$) trong việc giảm biên độ sóng hài và triệt tiêu mômen âm. Công trình đóng góp hệ thống cơ sở khoa học tin cậy và bộ thông số kích thước cụ thể, phục vụ trực tiếp cho công tác tính toán, thiết kế và chế tạo động cơ từ trở trong nước.