Luận án nghiên cứu kết cấu rotor động cơ Ex-LSPMSM mỏ hầm lò - ĐH Mỏ - Địa chất

Nghiên cứu kết cấu rotor nhằm cải thiện đặc tính làm việc của động cơ phòng nổ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp trong khai thác mỏ hầm lò.

• Tác giả: Trịnh Biên Thùy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đỗ Như Ý
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu kết cấu rotor để cải thiện đặc tính làm việc của động cơ phòng nổ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp sử dụng trong mỏ hầm lò
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về kết cấu rotor động cơ Ex LSPMSM trong mỏ hầm lò

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp phòng nổ (Ex-LSPMSM) là giải pháp truyền động quan trọng trong khai thác than hầm lò. Môi trường hầm lò tiềm ẩn nhiều nguy cơ cháy nổ khí metan và bụi than. Do đó, thiết bị điện yêu cầu tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật rất nghiêm ngặt. Cấu trúc rotor của Ex-LSPMSM tích hợp đồng thời hai thành phần cốt lõi bao gồm dây quấn lồng sóc và các khối nam châm vĩnh cửu chìm. Lồng sóc đảm nhiệm vai trò sinh mômen không đồng bộ trong quá trình khởi động trực tiếp từ lưới điện. Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường cực kích từ để kéo động cơ vào chế độ đồng bộ khi đạt tốc độ gần định mức. Sự kết hợp đặc biệt này giúp máy điện vận hành với hiệu suất cao tương đương cấp IE3 hoặc IE4. Hệ số công suất làm việc được nâng cao rõ rệt so với động cơ dị bộ phòng nổ thông thường. Tuy nhiên, việc bố trí nam châm bên trong rãnh rotor tạo ra bài toán từ trường phi tuyến phức tạp. Mạch từ kín kết hợp cầu nối từ tính đòi hỏi tính toán cấu trúc hình học kỹ lưỡng. Tối ưu hóa kết cấu rotor chính là khâu then chốt nhằm nâng cao khả năng kéo đồng bộ, giảm nhiệt độ làm việc và tiết kiệm điện năng cho các mỏ than.

1.1. Cấu trúc lồng sóc và nam châm vĩnh cửu trên rotor

Rotor của động cơ Ex-LSPMSM bao gồm lõi thép kỹ thuật điện ghép từ các lá thép mỏng cách điện. Phía ngoài lõi thép bố trí các thanh dẫn lồng sóc đúc bằng nhôm hoặc đồng nguyên chất. Phía trong lõi thép khoét các rãnh kín để đặt các thanh nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeB. Hai đầu rotor có các vòng ngắn mạch kết nối thanh dẫn tạo thành mạch điện kín. Các khối nam châm được bố trí theo hình chữ V hoặc dạng hướng tâm nhằm định hình hướng từ thông. Thiết kế này giúp bảo vệ nam châm khỏi tác động khử từ khi dòng khởi động tăng cao. Khe hở không khí giữa stato và rotor được duy trì ở mức tối ưu để giảm từ trở mạch từ.

1.2. Yêu cầu phòng nổ trong khai thác than hầm lò

Thiết bị điện làm việc trong hầm lò phải tuân thủ nghiêm ngặt quy chuẩn an toàn phòng nổ quốc gia TCVN 7079. Môi trường ngầm chứa nồng độ khí cháy metan và bụi than lơ lửng luôn ở mức rủi ro cao. Vỏ động cơ Ex-LSPMSM được chế tạo bằng gang cầu chịu áp lực nổ và ngăn chặn tia lửa thoát ra ngoài. Rotor phải hoạt động ổn định, tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ dẫn đến cháy nổ. Giới hạn nhiệt độ bề mặt vỏ máy và các bộ phận quay phải nằm trong ngưỡng kiểm soát an toàn. Cấp bảo vệ cơ khí đạt chuẩn tối thiểu IP54 nhằm ngăn cản bụi ẩm xâm nhập vào cuộn dây. Mọi thông số thiết kế mạch từ rotor đều hướng đến việc giảm phát nhiệt.

II. Thách thức trong thiết kế kết cấu rotor động cơ Ex LSPMSM

Quá trình thiết kế kết cấu rotor Ex-LSPMSM đối mặt với nhiều mâu thuẫn kỹ thuật phức tạp. Trong giai đoạn mở máy, dòng điện cảm ứng trong lồng sóc xuất hiện với biên độ rất lớn. Từ trường biến thiên mạnh từ dòng stator gây nguy cơ khử từ không thể phục hồi đối với nam châm vĩnh cửu. Ngoài ra, mômen hãm do nam châm sinh ra trong quá trình khởi động làm giảm mômen gia tốc của rotor. Hiện tượng này kéo dài thời gian mở máy và gia tăng tổn hao nhiệt trên rotor. Nếu quán tính tải lớn, động cơ dễ bị mất đồng bộ hoặc dao động tốc độ quanh điểm tới hạn. Bên cạnh đó, các cầu nối từ tính trên rotor chịu ứng suất cơ học rất cao khi quay tốc độ lớn. Độ dày cầu nối từ vừa phải đảm bảo độ bền cơ học, vừa phải hạn chế rò rỉ từ thông nam châm. Hiện tượng bão hòa từ tại các cầu nối làm sai lệch phân bố cảm ứng từ trong khe hở không khí. Sự phân bố nhiệt không đồng đều giữa lồng sóc và khối nam châm cũng làm suy giảm tuổi thọ vật liệu. Việc cân bằng giữa mômen khởi động và khả năng kéo vào đồng bộ là thách thức cốt lõi.

2.1. Nguy cơ khử từ nam châm khi khởi động trực tiếp

Khởi động trực tiếp từ lưới điện tạo ra dòng xung kích gấp 5 đến 7 lần dòng định mức. Từ trường phản xạ stator sinh ra vector từ thông ngược chiều với từ trường cực nam châm vĩnh cửu. Điều này đẩy điểm làm việc của nam châm NdFeB xuống gần đường giới hạn cong khử từ. Nếu nhiệt độ rotor tăng cao, khả năng kháng từ của vật liệu nam châm sẽ suy giảm nghiêm trọng. Hiện tượng khử từ cục bộ làm giảm mật độ từ thông vĩnh viễn, khiến động cơ mất công suất và suy giảm hiệu suất. Vị trí đặt nam châm sâu trong rãnh rotor kết hợp lồng sóc bảo vệ là yếu tố quyết định độ an toàn từ tính.

2.2. Xung đột giữa mômen khởi động và khả năng đồng bộ

Đặc tính khởi động của động cơ Ex-LSPMSM chịu ảnh hưởng đồng thời từ mômen dị bộ và mômen hãm nam châm. Điện trở lồng sóc cao giúp tăng mômen khởi động ban đầu nhưng lại làm giảm độ dốc đặc tính cơ khi đến gần tốc độ đồng bộ. Ngược lại, điện trở lồng sóc thấp giúp động cơ dễ kéo vào đồng bộ nhưng làm giảm mômen mở máy tĩnh. Nam châm vĩnh cửu có từ thông lớn sẽ sinh mômen hãm phanh lớn ở dải tốc độ trung bình. Nếu mômen quán tính tải nặng, rotor không thể vượt qua điểm tới hạn để đạt tốc độ đồng bộ. Xung đột này đặt ra bài toán tối ưu hình học rotor phức tạp.

III. Giải pháp tối ưu kết cấu rotor động cơ Ex LSPMSM hiệu quả

Để giải quyết các xung đột kỹ thuật trên rotor Ex-LSPMSM, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp thuật toán tối ưu đa mục tiêu được áp dụng rộng rãi. Mô hình mô phỏng trường điện từ 2D và 3D cho phép khảo sát chính xác hiện tượng bão hòa từ cục bộ. Các thông số hình học rotor bao gồm độ sâu rãnh, chiều rộng cầu nối từ và hình dạng thanh dẫn được tinh chỉnh đồng thời. Bố trí nam châm theo hình chữ V hoặc chữ U giúp tập trung từ thông hiệu quả vào khe hở không khí. Kết cấu này tạo ra độ bất đối xứng từ trở trục d và trục q, bổ sung thành phần mômen từ trở hữu ích. Cầu nối cách từ được thiết kế với kích thước tối thiểu nhằm giảm dòng từ tản qua mạch ngắn. Vật liệu nam châm đất hiếm có hệ số nhiệt độ cao được lựa chọn để chống suy giảm từ tính trong hầm lò. Rãnh lồng sóc kiểu rãnh sâu hoặc hai lồng sóc được sử dụng để tối ưu hiệu ứng dòng xoáy bề mặt khi mở máy. Giải pháp tổng thể giúp giảm độ gợn mômen, nâng cao hiệu suất và rút ngắn thời gian khởi động.

3.1. Ứng dụng mô phỏng phần tử hữu hạn FEM và tối ưu RSM

Phương pháp phần tử hữu hạn FEM cung cấp công cụ tính toán chính xác mật độ từ thông và phân bố nhiệt trên rotor. Kết hợp FEM với phương pháp đáp ứng bề mặt RSM giúp xây dựng hàm mục tiêu toán học rõ ràng. Các biến thiết kế chính bao gồm độ dày nam châm, góc nghiêng rãnh và khoảng cách cầu nối từ tính. Thuật toán di truyền đa mục tiêu hỗ trợ tìm kiếm tập nghiệm Pareto tối ưu giữa mômen khởi động và hiệu suất định mức. Quy trình này giảm thiểu số lượng phép thử nghiệm thực tế tốn kém và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm. Dữ liệu mô phỏng hỗ trợ định hình chính xác kết cấu cơ khí rotor.

3.2. Cải tiến hình học rãnh nam châm và thanh dẫn lồng sóc

Hình dạng rãnh nam châm chìm được cải tiến sang dạng vát nghiêng nhằm làm mịn dạng sóng từ cảm trong khe hở không khí. Cấu trúc khe không khí phụ bố trí tại hai đầu thanh nam châm giúp ngăn ngừa bão hòa từ tại cầu nối. Thanh dẫn lồng sóc hình thang hoặc hình quả lê được ưu tiên để tăng điện trở lúc khởi động và giảm điện trở khi xác lập. Sự phối hợp hình học này tạo ra phân bố từ trường hình sin chuẩn, triệt tiêu các sóng hài bậc cao. Nhờ đó, động cơ triệt tiêu độ rung cơ học, giảm tiếng ồn vận hành và hạn chế phát sinh tia lửa điện nguy hiểm.

IV. Ứng dụng thực tế của kết cấu rotor động cơ Ex LSPMSM ở mỏ

Nghiên cứu cải tiến kết cấu rotor Ex-LSPMSM mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho ngành khai thác mỏ hầm lò. Động cơ Ex-LSPMSM sau khi tối ưu được ứng dụng cho băng tải than, máy cào, quạt gió thông gió và bơm thoát nước mỏ. Đây là các thiết bị tiêu thụ điện năng lớn nhất trong dây chuyền khai thác than ngầm. Khi vận hành đồng bộ, động cơ loại bỏ hoàn toàn tổn hao đồng trên rotor, giúp nâng cao hiệu suất tổng thể lên cấp IE4. Hệ số công suất đạt trên 0,95 giúp giảm gánh nặng bù công suất phản kháng cho mạng lưới điện hầm lò. Nhiệt độ làm việc của động cơ duy trì ở mức thấp, ngăn ngừa nguy cơ phát hỏa từ vỏ máy. Khả năng khởi động trực tiếp từ lưới điện 660V hoặc 1140V giúp loại bỏ biến tần cồng kềnh trong không gian chật hẹp. Mẫu thử nghiệm chế tạo tại Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) chứng minh tính khả thi công nghệ cao. Ứng dụng Ex-LSPMSM góp phần cắt giảm chi phí vận hành và thúc đẩy an toàn lao động mỏ bền vững.

4.1. Hiệu quả tiết kiệm điện và giảm chi phí vận hành mỏ

Động cơ Ex-LSPMSM giúp tiết kiệm từ 5 đến 12% điện năng tiêu thụ so với động cơ dị bộ Ex-IM truyền thống. Với các hệ thống băng tải chạy liên tục suốt 24 giờ mỗi ngày, lượng điện năng tiết kiệm đạt hàng trăm ngàn kWh mỗi năm. Hệ số công suất cao hạn chế sụt áp trên các đường cáp cấp điện kéo dài hàng km trong gương than. Doanh nghiệp mỏ giảm đáng kể chi phí lắp đặt tụ bù phòng nổ và giảm tổn thất truyền tải nội bộ. Vòng đời vận hành của động cơ tăng lên nhờ nhiệt độ cuộn dây và ổ bi luôn thấp.

4.2. Khả năng tương thích và thay thế trực tiếp động cơ Ex IM

Rotor Ex-LSPMSM được thiết kế đồng bộ theo kích thước khung vỏ tiêu chuẩn của động cơ không đồng bộ phòng nổ Ex-IM. Điều này cho phép chuyển đổi và nâng cấp thiết bị dễ dàng mà không cần thay đổi bệ máy cơ khí hiện hữu. Động cơ đấu nối trực tiếp vào khởi động từ từ hầm lò sẵn có mà không đòi hỏi bộ biến tần phòng nổ đắt đỏ. Khả năng khởi động mượt mà với quán tính tải danh định bảo đảm quá trình sản xuất diễn ra liên tục. Đây là hướng đi kinh tế và an toàn cho các công ty than tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Trong khai thác mỏ than hầm lò, công suất và độ sâu khai thác ngày càng gia tăng dẫn đến mức độ cơ giới hóa ngày càng cao. Điển hình tại một số đơn vị thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam như mỏ than Hà Lầm (trang bị các lò chợ cơ giới hóa công suất 1,2 triệu tấn than/năm và 600.000 tấn than/năm) hay mỏ than Núi Béo (trang bị lò chợ cơ giới hóa đồng bộ công suất 600.000 tấn than/năm), nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng lớn, làm tỷ trọng chi phí tiền điện trên một tấn than khai thác tăng lên. Thống kê cho thấy năng lượng điện tiêu thụ bởi các động cơ điện chiếm hơn 75% tổng điện năng tiêu thụ của toàn mỏ. Trong đó, hệ thống quạt thông gió mỏ là một trong những khâu tiêu thụ nhiều điện năng nhất, chiếm khoảng 32,95% tổng điện năng tiêu thụ.

Các động cơ truyền thống sử dụng trong môi trường mỏ hầm lò hiện nay chủ yếu là động cơ không đồng bộ phòng nổ (Ex-IM) rôto lồng sóc với hiệu suất chỉ đạt ngưỡng tiêu chuẩn IE1 theo tiêu chuẩn IEC 60034-30. Việc nâng cao hiệu suất của động cơ Ex-IM lên mức IE2 hay IE3 gặp nhiều rào cản kỹ thuật do tổn hao trên lồng sóc rôto chiếm khoảng 20% tổng tổn hao của máy. Động cơ phòng nổ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới (Ex-LSPMSM) là giải pháp kỹ thuật thay thế hiệu quả nhờ ưu điểm hiệu suất cao (đạt cấp IE2, IE3, IE4), hệ số công suất lớn (cosφ ≥ 0,9) và khả năng khởi động trực tiếp không cần bộ biến tần phòng nổ đi kèm. Tuy nhiên, Ex-LSPMSM có nhược điểm là mômen khởi động thấp, quá trình quá độ phức tạp và nam châm vĩnh cửu (NCVC) có nguy cơ bị khử từ dưới tác động của dòng điện khởi động lớn. Đối với dải công suất trung bình 15 kW, tốc độ cao 3.000 vòng/phút dùng cho quạt gió và máy bơm nước trong hầm lò, các nghiên cứu cải hoán từ động cơ Ex-IM sẵn có vẫn còn hạn chế. Do đó, việc nghiên cứu kết cấu rôto và thông số nam châm vĩnh cửu nhằm cải thiện đặc tính vận hành và đảm bảo an toàn khử từ là nhiệm vụ cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

• Mục tiêu tổng quát: Đề xuất được kết cấu rôto khi chuyển đổi Ex-IM thành Ex-LSPMSM có đặc tính làm việc và hiệu suất cao.
• Mục tiêu cụ thể:
  1. Cải hoán thành công Ex-IM loại chiều cao tâm trục 160 mm thành Ex-LSPMSM.
  2. Cải thiện các thông số: đặc tính khởi động, đặc tính dòng điện của động cơ Ex-LSPMSM nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất thiết kế của động cơ.
  3. Giảm thiểu chi phí giá thành sản xuất qua việc lựa chọn hợp lý nam châm vĩnh cửu sử dụng trong động cơ Ex-LSPMSM.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Ex-LSPMSM có chiều cao tâm trục 160 mm, tốc độ 3.000 vòng/phút, được cải hoán từ động cơ Ex-IM có cùng thông số (công suất định mức 15 kW, số cực từ 2p = 2) và có cùng chiều cao tâm trục 160 mm.
• Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế cấu trúc và kích thước nam châm vĩnh cửu trong rôto động cơ; các thông số còn lại của động cơ (đặc biệt là kích thước hình học và dây quấn stato của động cơ Ex-IM cơ sở) được giữ nguyên.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp (LSPMSM) đã đạt được một số kết quả bước đầu:

• Nguyễn Vũ Thanh (2015) nghiên cứu thuật toán thiết kế và chế tạo động cơ LSPMSM ba pha, thiết lập công thức giải tích xác định quan hệ mật độ từ thông giữa răng, gông với điểm làm việc của nam châm, từ đó tối ưu hóa động cơ LSPMSM 7,5 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút đạt hiệu suất vượt ngưỡng IE4 bằng phần mềm Ansoft Maxwell 2D.
• Lê Anh Tuấn (2017) xây dựng mô hình toán khảo sát đặc tính khởi động của LSPMSM có xét đến bão hòa mạch từ (điện cảm từ hóa dọc trục Lmd và ngang trục Lmq) và hiệu ứng mặt ngoài trên động cơ 2,2 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút.
• Bùi Minh Định (2018) chủ trì đề tài cấp Nhà nước KC05, làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo dãy động cơ LSPMSM 4 cực từ 2,2 kW đến 11 kW, tốc độ 1.500 vòng/phút đạt hiệu suất IE2 bằng phần mềm chuyên dụng SPEED.
• Đỗ Như Ý, Lê Anh Tuấn, Ngô Xuân Cường và Bùi Trung Kiên (2022) nghiên cứu xác định tham số đặc trưng của nam châm (mật độ từ dư Br, lực kháng từ Hc) và mô phỏng số phân bố từ trường, mômen điện từ và đặc tính tốc độ.
• Đỗ Như Ý, Ngô Thanh Tuấn, Lê Anh Tuấn và Ngô Xuân Cường (2021) ứng dụng Ansys/Maxwell phân tích thông số điện từ và đặc tính xác lập của LSPMSM, song chưa đi sâu vào quá trình khởi động trực tiếp và nguy cơ khử từ.
• Lê Anh Tuấn, Đỗ Như Ý và Bùi Đức Hùng (2022) mô phỏng ảnh hưởng của kiểu dây quấn stato đến đặc tính khởi động của LSPMSM công suất 5,5 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút.

Trên thế giới, các hướng nghiên cứu tập trung vào hai mảng chính:

1. Nghiên cứu cấu trúc bố trí nam châm trên rôto:
   • J. Cho (2010) khảo sát kết cấu rôto dạng 3 thanh nam châm cho động cơ LSPMSM 3,7 kW tốc độ 3.000 vòng/phút, cải thiện dòng điện khởi động qua thay đổi thể tích rãnh rôto nhưng chưa đánh giá vai trò của cầu từ.
   • D. Xia (2013) nghiên cứu động cơ 2 cực 37 kW, 3.000 vòng/phút tải bơm nước với khối nam châm NdFeB hình chữ nhật ở giữa rôto, đồng thời điểm lại các dạng bố trí hình vành khuyên và chữ L, song đòi hỏi phải thiết kế lại hoàn toàn rãnh rôto.
   • Damiano Mingardi, Nicola Bianchi và Michele Dai Prè (2017) phân tích các cấu trúc nam châm hình lục giác (5,5 kW), hình chữ nhật 4 thanh (7,5 kW), hình vành khuyên (7,5 kW) cho động cơ 3.000 vòng/phút và thử nghiệm trên mẫu 1,5 kW.
   • D. Bianchi (2017) thiết kế kết cấu nam châm hình vành khuyên cho động cơ 1,5 kW, 3.000 vòng/phút kết hợp hai loại rãnh rôto.
   • A. Cho (2020) thiết kế cấu trúc nam châm hình cánh quạt cho động cơ 7,5 kW, 3.000 vòng/phút bằng mô hình mạch từ tương đương (MEC) và phần tử hữu hạn hai chiều (2D-FEA).
2. Nghiên cứu tối ưu hóa và hiện tượng khử từ:
   • M. Palangar (2021) tính toán tối ưu LSPMSM dựa trên phân tích trường điện từ và phân tích nhiệt.
   • Ershad (2010) và Mirsalim (2012) đề xuất phương pháp đổi cực stato để hỗ trợ khởi động và giảm mômen cản.
   • Sadoughi (2014) so sánh động cơ không đồng bộ và LSPMSM 0,75 kW trên mô hình d–q bằng MATLAB/Simulink.
   • Ugale (2014) khảo sát sóng hài bậc cao trong dòng điện xác lập của LSPMSM.
   • Rong-Jie Wang, Jean-Pierre Els và Albert Sorgdrager (2014) phân tích bài toán chi phí vật liệu nam châm.
   • Jian-Xin Shen, Peng Li, Meng-Jia Jin và Guang Yang (2013) phân tích hiện tượng khử từ ở động cơ LSPMSM 1.500 vòng/phút bằng FEA.
   • Các công trình của Solmaz Kahourzade và cộng sự (2013), A. Wang (2014), Shixiong Yin và cộng sự (2021), Jeong-Tae Song và cộng sự (2010), Kwang Hee Kim và cộng sự (2012), Dessoude (2013) phát triển các quy trình thiết kế và thuật toán tối ưu hóa (như giải thuật di truyền GA, phương pháp đáp ứng bề mặt RSM, thử nghiệm trực giao).

Khoảng trống nghiên cứu: Phần lớn các nghiên cứu trong và ngoài nước tập trung vào động cơ tốc độ 1.500 vòng/phút (4 cực) hoặc các dải công suất nhỏ dưới 7,5 kW. Các công trình nghiên cứu tốc độ cao 3.000 vòng/phút thường yêu cầu thay đổi kết cấu stato và dập mới hoàn toàn lồng sóc rôto. Vấn đề cải hoán trực tiếp từ động cơ không đồng bộ phòng nổ Ex-IM chiều cao tâm trục 160 mm sẵn có sang Ex-LSPMSM công suất 15 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút (2p = 2) phục vụ quạt gió và máy bơm nước trong mỏ than hầm lò, kết hợp phân tích toàn diện hiện tượng khử từ khi khởi động trực tiếp và giải quyết bài toán hiệu quả kinh tế chưa được giải quyết đồng bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các nền tảng lý thuyết và công cụ phân tích sau:

• Khung lý thuyết máy điện trong hệ tọa độ d–q: Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả các quá trình điện từ quá độ và xác lập của Ex-LSPMSM. Sơ đồ mạch điện thay thế trục d và trục q phản ánh đầy đủ tương tác giữa dòng điện stato, dòng cảm ứng trong lồng sóc rôto và từ thông do nam châm vĩnh cửu sinh ra.
• Lý thuyết khử từ của vật liệu từ cứng: Khảo sát hành vi của nam châm đất hiếm trên đường cong từ trễ B–H, xác định mối quan hệ giữa mật độ từ dư Br, lực kháng từ Hc và điểm làm việc cực tiểu của nam châm dưới tác động của từ trường ngược do dòng điện khởi động biên độ lớn sinh ra.
• Phương pháp phân tích tham số (parametric analysis) kết hợp mô hình mạch từ tương đương theo nguyên lý xếp chồng để khảo sát định lượng ảnh hưởng của kích thước hình học thanh nam châm đến các chỉ tiêu vận hành.
• Tiêu chuẩn an toàn phòng nổ và bảo vệ cơ khí: Áp dụng tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7079 đối với thiết bị điện phòng nổ dùng trong mỏ hầm lò (kết cấu vỏ dạng Exdi) và cấp bảo vệ vỏ máy đạt IP54.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Ansys/Maxwell để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn hai chiều (2D-FEM). Phương pháp này cho phép giải hệ phương trình Maxwell, tính toán chính xác sự phân bố từ trường phi tuyến, mật độ từ thông khe hở không khí, sức điện động ngược không tải (B-EMF), mômen điện từ và phân tích phổ sóng hài dòng điện bằng biến đổi Fourier nhanh (FFT).
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu rôto thực tế trên nền stato của động cơ Ex-IM 15 kW tại Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM). Thiết lập bệ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm gồm động cơ Ex-LSPMSM kéo máy phát điện làm tải, kết hợp máy hiện sóng, thiết bị đo công suất và cảm biến để đo đạc dạng sóng dòng điện, điện áp, sức điện động không tải và hiệu suất.

Nguồn tư liệu và dữ liệu:

• Thông số kỹ thuật của động cơ không đồng bộ phòng nổ nguyên bản Ex-IM 15 kW.
• Số liệu đặc tính kỹ thuật của các dòng quạt gió thông gió mỏ hiệu suất cao TYB (Trung Quốc).
• Đặc tính từ hóa của lá thép kỹ thuật điện Steel 1008 và đường cong khử từ của vật liệu nam châm đất hiếm NdFeB-N38 do hãng Arnold Magnetic Technologies cung cấp.
• Dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ hệ thống thử nghiệm máy điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này trình bày chi tiết về cấu tạo, nguyên lý vận hành của động cơ Ex-LSPMSM, đặc điểm phụ tải khai thác mỏ hầm lò và tiềm năng ứng dụng thực tế:

• Cấu tạo: Phần tĩnh (stato) bao gồm vỏ máy phòng nổ đạt chuẩn IP54 và TCVN 7079; lõi thép stato làm từ các lá thép kỹ thuật điện dày từ 0,35 mm đến 0,65 mm phủ sơn cách điện để hạn chế tổn hao do dòng điện xoáy (Foucault); dây quấn ba pha đặt trong rãnh stato. Phần động (rôto) gồm lõi thép tôn silic dập rãnh, lồng sóc ngắn mạch đúc nhôm hoặc đồng, và các thanh nam châm vĩnh cửu gắn chìm bên trong lõi sắt. Khe hở không khí giữa stato và rôto nằm trong khoảng từ 0,2 mm đến 1,0 mm.
• Quá trình làm việc: Khi đóng điện, dòng điện ba pha tạo từ trường quay với tốc độ n = 60f/P (với tần số f = 50 Hz, số đôi cực P = 1, tốc độ đồng bộ n = 3.000 vòng/phút). Từ trường này quét qua lồng sóc rôto tạo dòng điện cảm ứng và sinh ra mômen không đồng bộ giúp động cơ tăng tốc. Khi tốc độ tiến sát tốc độ đồng bộ, mômen đồng bộ kéo rôto vào chế độ đồng bộ. Ở chế độ xác lập, dòng điện trong lồng sóc triệt tiêu, loại bỏ hoàn toàn tổn thất nhiệt trên lồng sóc (vốn chiếm khoảng 20% tổng tổn thất ở động cơ Ex-IM), giúp nâng cao hiệu suất và hệ số công suất.
• Khảo sát phụ tải quạt gió: Phụ tải quạt gió chiếm 32,95% tổng điện năng toàn mỏ. Bảng số liệu quạt thông gió cục bộ TYB của Trung Quốc thể hiện yêu cầu tốc độ cao và hiệu suất tương ứng:

Model	Áp suất (Pa)	Lưu lượng (m³/h)	Hiệu suất (%)	Tốc độ (vòng/phút)	Độ ồn [dB(A)]	Công suất (kW)
TYB42-2	1700 - 800	90 - 180	87,0	3000	89	11,0
TYB52-2	2250 - 800	130 - 240	89,4	3000	91	15,0
TYB62-2	2800 - 800	160 - 290	90,5	3000	93	18,5

• Đánh giá hiệu quả kinh tế: So sánh việc thay thế động cơ Ex-IM 15 kW (hiệu suất 89,3%, cấp IE1) bằng Ex-LSPMSM 15 kW (hiệu suất 93,2%, cấp IE2):

TT	Thông số động cơ	Ex-IM	Ex-LSPMSM
1	Công suất định mức (kW)	15	15
2	Điện áp định mức (V)	380/660	380/660
3	Tần số lưới (Hz)	50	50
4	Tốc độ định mức (vòng/phút)	2960	3000
5	Mômen định mức (N.m)	48	48
6	Hiệu suất động cơ (%)	89,3 (IE1)	93,2 (IE2)

Khối lượng nam châm NdFeB cần sử dụng khoảng 1,85 kg với đơn giá 250 USD/kg (5,75 triệu đồng/kg); chênh lệch khối lượng thép kỹ thuật điện từ thông cao là 4,5 kg với đơn giá chênh lệch 12 USD/kg (0,276 triệu đồng/kg). Chênh lệch vốn đầu tư ban đầu tính toán được là 11,88 triệu đồng. Với giá bán điện 2.887 đồng/kWh và thời gian vận hành mỏ 5.000 giờ/năm (làm việc 3 ca), chi phí tiền điện tiết kiệm hàng năm đạt 10,96 triệu đồng. Thời gian thu hồi vốn đầu tư là 1,08 năm.

Chương 2. Mô hình toán động cơ Ex-LSPMSM

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở toán học và lựa chọn kết cấu hình học rôto:

• Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả Ex-LSPMSM trên hệ tọa độ d–q, biểu diễn sơ đồ mạch điện thay thế trục d và trục q có tính đến điện cảm từ hóa đồng bộ Lmd, Lmq và hiệu ứng mặt ngoài của thanh dẫn lồng sóc.
• Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (2D-FEM) trên phần mềm chuyên dụng để phân tích từ trường trong máy điện, sử dụng đường cong từ hóa B–H của thép kỹ thuật điện Steel 1008.
• Khảo sát các cấu hình bố trí nam châm vĩnh cửu: Thực hiện mô phỏng so sánh các phương án bố trí 2 thanh, 3 thanh và 4 thanh nam châm trong rôto. Kết quả phân tích đường cong tốc độ khởi động, dòng điện xác lập và phân tích biến đổi Fourier nhanh (FFT) dạng sóng dòng điện chỉ ra rằng cấu hình 3 thanh nam châm vĩnh cửu mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa khả năng khởi động đồng bộ và chất lượng dòng điện (giảm thiểu độ méo sóng hài THDi).
• Phân tích vai trò của cầu từ: So sánh mô hình từ trường giữa kết cấu rôto có cầu từ và kết cấu rôto không có cầu từ. Kết quả chứng minh rằng việc loại bỏ cầu từ giúp triệt tiêu dòng rò từ thông qua cầu nối, dẫn đến mật độ từ thông trong khe hở không khí phân bố đều hơn, biên độ sức điện động không tải B-EMF tăng lên và dạng sóng gần hình sin hơn, qua đó cải thiện đặc tính mômen điện từ và hiệu suất của động cơ. Cấu trúc rôto ba thanh nam châm không có cầu từ được lựa chọn làm giải pháp kỹ thuật chính thức.

Chương 3. Phân tích lựa chọn thông số nam châm vĩnh cửu Ex-LSPMSM

Nội dung chương 3 tập trung giải quyết bài toán chống khử từ và xác định kích thước nam châm vĩnh cửu:

• Khử từ nam châm vĩnh cửu: Quá trình khởi động trực tiếp sinh ra dòng điện ngắn mạch ban đầu rất lớn (Ik), tạo ra từ trường ngược cực mạnh tác động trực tiếp lên các thanh nam châm. Kết hợp với sự tăng nhiệt độ trong cuộn dây và lõi thép, nam châm có nguy cơ bị khử từ không thuận nghịch nếu điểm làm việc tụt xuống dưới điểm gập (knee point) của đường cong khử từ.
• Phân tích các kịch bản suy giảm từ: Sử dụng FEM mô phỏng các trường hợp suy giảm từ tính một phần không đối xứng, suy giảm từ ở một cặp nam châm đối xứng và suy giảm từ ở hai cặp nam châm đối xứng. Kết quả cho thấy khi nam châm bị suy giảm từ, sức điện động ngược giảm, dòng điện xác lập tăng cao, xuất hiện dao động mômen và công suất điện từ, làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất động cơ.
• Ứng dụng phương pháp phân tích tham số: Sử dụng vật liệu NdFeB-N38 của Arnold Magnetic Technologies. Tiến hành khảo sát sự thay đổi của bề rộng thanh nam châm wM trong quá trình khởi động quá độ từ 0 đến 150 ms. Xác định điểm làm việc nhỏ nhất (min operating point) của các khối nam châm (NCVC1, NCVC2, NCVC3).
• Lựa chọn thông số tối ưu: Qua khảo sát tham số, khi bề rộng thanh nam châm đạt giá trị wM = 35 mm, điểm làm việc nhỏ nhất của toàn bộ các thanh nam châm trong suốt quá trình khởi động khắc nghiệt nhất luôn nằm phía trên điểm gập của vật liệu ở nhiệt độ vận hành định mức. Kích thước này bảo đảm động cơ không bị khử từ, đồng thời tối ưu hóa mật độ từ thông khe hở không khí, đạt hiệu suất xác lập trên 93% (chuẩn IE2) và đảm bảo tính kinh tế về khối lượng vật liệu đất hiếm sử dụng (1,85 kg).

Chương 4. Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 4 kiểm chứng các kết quả lý thuyết và mô phỏng thông qua chế tạo mẫu và đo đạc thực nghiệm:

• Chế tạo và lắp ráp mẫu thử nghiệm: Mẫu động cơ Ex-LSPMSM công suất 15 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút, 2 cực từ (2p = 2) được gia công, chế tạo tại Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM). Quá trình chế tạo tận dụng hoàn toàn vỏ máy phòng nổ, nắp máy và lõi thép stato của động cơ Ex-IM 15 kW sẵn có (chiều cao tâm trục 160 mm). Rôto mới được dập rãnh theo thiết kế ba thanh nam châm không có cầu từ, đúc lồng sóc nhôm, lắp các thanh nam châm NdFeB-N38 kích thước wM = 35 mm, ép trục và cân bằng động chính xác.
• Thiết lập hệ thống thử nghiệm: Bệ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm bao gồm động cơ thử nghiệm Ex-LSPMSM kết nối đồng trục với máy phát điện làm phụ tải tải điện trở, các cảm biến đo lường dòng điện, điện áp, mômen, tốc độ và máy hiện sóng ghi nhận dạng sóng quá độ.
• Kết quả đo đạc: Máy hiện sóng ghi lại quá trình khởi động trực tiếp từ lưới điện, khẳng định động cơ khởi động thành công và kéo vào tốc độ đồng bộ 3.000 vòng/phút ổn định. Sức điện động không tải đo được có dạng sóng điều hòa, biên độ phù hợp với kết quả tính toán mô phỏng 2D-FEM. Hiệu suất ở chế độ đầy tải đạt trên 93%, hệ số công suất cosφ đạt trên 0,9.
• Đánh giá so sánh: Sự sai khác giữa kết quả tính toán giải tích, kết quả mô phỏng số bằng phần mềm FEM và số liệu đo đạc thực nghiệm nằm trong giới hạn sai số cho phép của kỹ thuật chế tạo máy điện, khẳng định tính đúng đắn của phương án kết cấu rôto và kích thước nam châm đã lựa chọn.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học của luận án bao gồm:

• Đề xuất kết cấu rôto sử dụng ba thanh nam châm vĩnh cửu không có cầu từ cho động cơ Ex-LSPMSM chiều cao tâm trục 160 mm, tốc độ 3.000 vòng/phút, đáp ứng đặc tính cơ phù hợp cho quạt gió và máy bơm nước cục bộ trong khai thác mỏ hầm lò.
• Phân tích và làm rõ cơ chế tác động của dòng điện khởi động biên độ lớn đến hiện tượng khử từ của nam châm vĩnh cửu trong giai đoạn quá độ, thiết lập tiêu chí kiểm tra điểm làm việc nhỏ nhất của nam châm trên đường cong đặc tính từ hóa phi tuyến.
• Ứng dụng thành công phương pháp phân tích tham số để xác định kích thước hợp lý của nam châm vĩnh cửu NdFeB-N38 (bề rộng wM = 35 mm), giải quyết đồng thời bài toán cải thiện hiệu suất, nâng cao hệ số công suất và bảo đảm điều kiện an toàn chống khử từ.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

• Cải hoán thành công động cơ không đồng bộ phòng nổ Ex-IM 15 kW thành động cơ Ex-LSPMSM 15 kW - 3.000 vòng/phút trên cơ sở giữ nguyên vỏ máy và stato tiêu chuẩn, giúp giảm chi phí đầu tư khuôn mẫu và thuận lợi cho việc sản xuất tại các nhà máy chế tạo máy điện trong nước.
• Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể giúp tiết kiệm điện năng cho các hệ thống quạt thông gió và máy bơm thoát nước trong khai thác than mỏ hầm lò, rút ngắn thời gian thu hồi vốn xuống còn 1,08 năm.
• Chế tạo và thử nghiệm thành công mẫu động cơ thực tế tại Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM), chứng minh tính khả thi của việc thương mại hóa sản phẩm.

Kiến nghị của tác giả:

• Kiến nghị các đơn vị sản xuất máy điện và ngành than áp dụng giải pháp cải hoán kết cấu rôto để thay thế từng bước các động cơ Ex-IM hiệu suất thấp đang vận hành tại các mỏ hầm lò.
• Đề xuất tiếp tục hoàn thiện tiêu chuẩn kiểm định xuất xưởng đối với dòng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp phòng nổ sử dụng trong môi trường hầm lò có khí nổ metan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Phạm vi nghiên cứu mới tập trung thực hiện trên một cấp công suất cụ thể là 15 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút với kích thước chiều cao tâm trục 160 mm; chưa mở rộng đánh giá thực nghiệm cho toàn bộ dải công suất từ 11 kW đến 18,5 kW.
• Quá trình cải hoán giữ nguyên hoàn toàn kết cấu stato của động cơ Ex-IM cơ sở nhằm tận dụng công nghệ chế tạo sẵn có, do đó chưa khảo sát tối ưu hóa đồng thời cả stato và rôto để đạt cấp hiệu suất cao hơn như IE3 hay IE4.
• Các thử nghiệm thực nghiệm mới được tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, chưa triển khai chạy thử nghiệm dài hạn trong điều kiện vận hành thực tế dưới hầm lò với độ ẩm cao, bụi than và khí mỏ ăn mòn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng thuật toán thiết kế và phương pháp phân tích tham số cho toàn bộ dãy công suất động cơ Ex-LSPMSM 2 cực dùng trong ngành mỏ.
• Nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời cả dây quấn stato và kết cấu rôto nhằm tiếp tục nâng cao mômen khởi động và hiệu suất vận hành xác lập.
• Lắp đặt thử nghiệm mẫu động cơ trên hệ thống quạt gió cục bộ tại hiện trường các mỏ than hầm lò để theo dõi độ ổn định nhiệt, khả năng chống lão hóa từ tính và độ bền cơ học theo thời gian.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo đối với nhiều đối tượng:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật điện, Thiết bị điện, Điện khí hóa xí nghiệp mỏ: Luận án cung cấp phương pháp luận hoàn chỉnh từ mô hình toán d–q, kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn 2D-FEM, phương pháp phân tích tham số khảo sát hiện tượng khử từ quá độ, đến quy trình đo kiểm thực nghiệm máy điện.
• Đối với các kỹ sư thiết kế và công nghệ tại các nhà máy chế tạo máy điện (như HEM): Tài liệu cung cấp bản vẽ kết cấu rôto ba thanh nam châm không có cầu từ, kích thước hình học chi tiết của nam châm NdFeB-N38, quy trình dập ép lõi thép và công nghệ đúc lồng sóc cải hoán từ động cơ Ex-IM.
• Đối với cán bộ quản lý năng lượng và kỹ sư cơ điện tại các doanh nghiệp khai thác mỏ hầm lò (Tập đoàn TKV): Luận án cung cấp bài toán phân tích kinh tế - kỹ thuật rõ ràng về chi phí đầu tư, lượng điện năng tiết kiệm hàng năm và thời gian thu hồi vốn khi thay thế động cơ cho quạt gió và máy bơm nước cục bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao động cơ Ex-LSPMSM phù hợp để thay thế động cơ Ex-IM cho các phụ tải quạt gió và máy bơm nước trong mỏ hầm lò? Động cơ Ex-LSPMSM có nhược điểm cố hữu là mômen khởi động thấp hơn so với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, do đó chỉ phù hợp cho các phụ tải khởi động nhẹ hoặc trung bình như quạt gió và máy bơm nước. Mặt khác, quạt gió là khâu tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong mỏ hầm lò (chiếm 32,95% tổng điện năng), việc thay thế bằng Ex-LSPMSM giúp triệt tiêu tổn hao lồng sóc khi chạy xác lập, nâng hiệu suất từ mức 89,3% (IE1) lên 93,2% (IE2) và nâng hệ số công suất lên trên 0,9, mang lại hiệu quả tiết kiệm điện rất lớn mà không cần trang bị biến tần phòng nổ đắt tiền.

2. Tại sao luận án lại lựa chọn cấu trúc rôto sử dụng ba thanh nam châm vĩnh cửu không có cầu từ? Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn so sánh giữa các cấu hình 2 thanh, 3 thanh và 4 thanh cho thấy cấu hình 3 thanh nam châm mang lại khả năng khởi động tốt và giảm méo sóng hài dòng điện xác lập. Việc loại bỏ cầu từ giúp ngăn chặn hiện tượng rò từ thông qua cầu nối bằng sắt, làm tăng lượng từ thông hữu ích đi vào khe hở không khí, nâng cao biên độ sức điện động không tải B-EMF và giúp dạng sóng từ trường gần hình sin hơn, qua đó cải thiện mômen đồng bộ và hiệu suất của động cơ.

3. Chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn khi thay thế động cơ Ex-IM 15 kW bằng Ex-LSPMSM 15 kW được tính toán như thế nào? Chi phí chênh lệch ban đầu để chế tạo Ex-LSPMSM 15 kW là 11,88 triệu đồng, bao gồm 1,85 kg nam châm NdFeB (đơn giá 250 USD/kg, tương đương 5,75 triệu đồng/kg) và 4,5 kg tôn silic tổn hao thấp (chênh lệch 12 USD/kg, tương đương 0,276 triệu đồng/kg). Với giá bán điện 2.887 đồng/kWh và chế độ làm việc 3 ca (5.000 giờ/năm), lượng điện năng tiết kiệm được tương ứng với số tiền 10,96 triệu đồng mỗi năm. Thời gian thu hồi vốn đầu tư chênh lệch là 1,08 năm.

4. Luận án giải quyết nguy cơ khử từ của nam châm vĩnh cửu trong quá trình khởi động trực tiếp bằng giải pháp nào? Trong giai đoạn khởi động trực tiếp, dòng điện ngắn mạch quá độ ban đầu rất lớn tạo ra từ trường ngược cực mạnh đe dọa khử từ nam châm. Luận án sử dụng vật liệu đất hiếm NdFeB-N38 có lực kháng từ Hc cao, đồng thời áp dụng phương pháp phân tích tham số bằng mô hình phần tử hữu hạn để khảo sát biến kích thước bề rộng nam châm wM trong khoảng thời gian quá độ từ 0 đến 150 ms. Kết quả xác định bề rộng tối ưu wM = 35 mm bảo đảm điểm làm việc nhỏ nhất của toàn bộ các thanh nam châm luôn nằm phía trên điểm gập của đường đặc tính khử từ ở nhiệt độ vận hành cao nhất, ngăn ngừa hoàn toàn hiện tượng khử từ không thuận nghịch.

5. Mẫu động cơ thực nghiệm được chế tạo tại đơn vị nào và kết quả thử nghiệm đạt được ra sao? Mẫu động cơ Ex-LSPMSM 15 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút được gia công, lắp ráp thực tế tại Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) trên cơ sở tận dụng vỏ máy phòng nổ đạt chuẩn IP54 và TCVN 7079 cùng lõi thép stato của động cơ Ex-IM chiều cao tâm trục 160 mm. Kết quả thử nghiệm trên bệ thử máy phát tải trong phòng thí nghiệm xác nhận động cơ khởi động trực tiếp thành công, hòa đồng bộ êm thuận ở tốc độ 3.000 vòng/phút, dạng sóng sức điện động ngược điều hòa và hiệu suất vận hành xác lập đạt trên 93%, phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng số.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Trịnh Biên Thùy đã giải quyết thành công bài toán cải hoán động cơ không đồng bộ phòng nổ Ex-IM chiều cao tâm trục 160 mm thành động cơ phòng nổ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp Ex-LSPMSM 15 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút. Bằng việc kết hợp mô hình giải tích trong hệ tọa độ d–q, mô phỏng phần tử hữu hạn 2D-FEM và phân tích tham số, tác giả đã xác lập được cấu trúc rôto ba thanh nam châm không có cầu từ với bề rộng nam châm wM = 35 mm, bảo đảm động cơ không bị khử từ trong quá trình khởi động trực tiếp và đạt hiệu suất tương đương cấp IE2. Kết quả chế tạo mẫu và thử nghiệm thực nghiệm tại Công ty HEM đã khẳng định tính chính xác của các mô hình nghiên cứu, mở ra giải pháp kỹ thuật khả thi nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng cho hệ thống quạt thông gió và bơm nước trong khai thác than mỏ hầm lò tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ Ex-LSPMSM, bao gồm cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính vận hành cơ bản và khả năng ứng dụng của loại động cơ này trong các hệ truyền động điện. Trên cơ sở phân tích đặc điểm tiêu thụ điện năng trong khai thác than hầm lò, chương này đã làm rõ tiềm năng ứng dụng của động cơ Ex-LSPMSM đối với các phụ tải như quạt gió và bơm nước cục bộ trong khai thác mỏ hầm lò. Bên cạnh đó cũng đã tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến thiết kế, tối ưu hóa và ứng dụng Ex- LSPMSM, từ đó xác định khoảng trống nghiên cứu của luận án. Kết quả của chương cho thấy các nghiên cứu hiện có chủ yếu tập trung vào động cơ công suất nhỏ hoặc trung bình, tốc độ khoảng 1.500 vòng/phút, trong khi các nghiên cứu đối với động cơ Ex-LSPMSM 15 kW, tốc độ 3.000 vòng/phút, cải hoán từ động cơ không đồng bộ và hướng tới ứng dụng trong mỏ hầm lò còn hạn chế.

Đây là cơ sở để xác lập mục tiêu và hướng nghiên cứu của luận án. 5 Chương 2 xây dựng mô hình toán của động cơ Ex-LSPMSM trên cơ sở lý thuyết máy điện trong hệ tọa độ d–q, đồng thời sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích các đặc tính điện từ của động cơ nghiên cứu. Trên cơ sở so sánh giữa mô hình giải tích và mô hình phần tử hữu hạn, chương đánh giá được mức độ phù hợp của các kết quả tính toán và mô phỏng. Từ các kết quả khảo sát về từ thông khe hở không khí, sức điện động không tải, mômen điện từ, dòng điện và hiệu suất, chương đã lựa chọn được cấu hình rôto phù hợp cho động cơ Ex-LSPMSM 15 kW, 3.

Kết quả quan trọng nhất của chương là xác lập được phương án rôto sử dụng ba thanh nam châm vĩnh cửu không có cầu từ làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Chương 3 tập trung phân tích lựa chọn thông số của nam châm vĩnh cửu có xét đến điều kiện khử từ của nam châm vĩnh cửu trong quá trình vận hành của động cơ. Trên cơ sở đường cong đặc tính khử từ của vật liệu nam châm đã phân tích đánh giá khả năng xảy ra khử từ trong quá trình khởi động bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Đồng thời, chương sử dụng phương pháp phân tích tham số để khảo sát ảnh hưởng của kích thước nam châm đến đặc tính khởi động, sức điện động ngược, hiệu suất của động cơ.

Kết quả của chương cho phép lựa chọn hợp lý vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFeB và hoàn thiện cấu trúc rôto cho động cơ nghiên cứu khi xét đồng thời các yêu cầu về hiệu suất, đặc tính điện từ và điều kiện chống khử từ. Chương 4 trình bày quá trình chế tạo, lắp ráp động cơ Ex-LSPMSM và xây dựng mô hình thí nghiệm để kiểm chứng kết quả nghiên cứu. Mẫu động cơ thực nghiệm được chế tạo theo đúng phương án đã lựa chọn từ Chương 2 và Chương 3. Hệ thống thí nghiệm được thiết lập để đo đạc các đại lượng đặc trưng như dòng điện, điện áp, sức điện động không tải và hiệu suất của động cơ.

Kết luận và kiến nghị. Phụ lục 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về động cơ Ex-LSPMSM Động cơ phòng nổ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Ex-LSPMSM) có cấu tạo là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (LSPMSM) [9] kết hợp với vỏ phòng nổ (Ex) để sử dụng trong môi trường cháy nổ như khai thác mỏ hầm lò.