Khảo Sát Tính Năng Phát Điện Của Động Cơ Không Trục Khuỷu Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Tài liệu nghiên cứu Khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Võ Bảo Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Trạng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Năng Phát Điện Của Động Cơ Không Trục Khuỷu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài
• 1.1.1. Các nghiên cứu ở trong nước
• 1.1.2. Các nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.2. Kế hoạch thực hiện
• 1.6. Động cơ không free-piston
• 1.7. Tổng quan về động cơ free-piston
• 1.8. Ưu điểm động cơ free-piston
• 1.9. Các loại động cơ free-piston
• 1.10. Các đặc tính cơ bản của động cơ free-piston
• 1.11. Động lực học của piston
• 1.12. Máy phát tuyến tính
• 1.12.1. Giới thiệu về máy phát tuyến tính
• 1.12.2. Phân loại cơ bản của máy phát tuyến tính
• 1.12.2.1. Máy thông lượng dọc
• 1.12.2.2. Máy thông lượng ngang
• 1.12.3. Nguyên lý hoạt động máy phát điện tuyến tính
• 2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
• 2.1. Tính toán máy phát điện tuyến tính 1 pha
• 2.2. Tính toán chiều rộng stator
• 2.3. Biên độ cực và biên độ răng
• 2.4. Tính toán thông số nam châm vĩnh cửu
• 2.5. Các thông số về cuộn dây trong máy phát điện
• 2.6. Mô phỏng máy phát điện tuyến tính
• 2.6.1. Phương trình Maxwell
• 2.6.2. Mô phỏng 3D máy phát điện tuyến tính
• 2.6.3. Tính toán điện cảm
• 2.6.4. Mô phỏng công suất của máy phát điện tuyến tính 1 pha
• 2.7. Kết quả mô phỏng
• 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH
• 3.1. Ý tưởng thiết kế
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Tài Liệu Tham Khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Tính Năng Phát Điện Của Động Cơ Không Trục Khuỷu

Nghiên cứu về động cơ không trục khuỷu đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực công nghệ phát điện. Động cơ này không chỉ mang lại hiệu suất cao mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc chuyển đổi năng lượng từ nhiệt thành điện năng thông qua động cơ này mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô điện. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy động cơ không trục khuỷu có thể cải thiện hiệu suất và giảm thiểu khí thải, góp phần vào sự phát triển bền vững.

1.1. Động Cơ Không Trục Khuỷu Là Gì

Động cơ không trục khuỷu, hay còn gọi là Free Piston Engine (FPE), là một loại động cơ mà không sử dụng trục khuỷu để chuyển đổi chuyển động. Thay vào đó, nó sử dụng piston tự do để tạo ra năng lượng. Công nghệ này giúp giảm thiểu kích thước và trọng lượng của động cơ, đồng thời nâng cao hiệu suất hoạt động.

1.2. Lợi Ích Của Động Cơ Không Trục Khuỷu

Động cơ không trục khuỷu mang lại nhiều lợi ích như hiệu suất cao hơn, giảm thiểu ô nhiễm và khả năng chuyển đổi năng lượng tốt hơn. Các nghiên cứu cho thấy rằng động cơ này có thể đạt được công suất lớn với mức tiêu thụ nhiên liệu thấp, từ đó góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Động Cơ Không Trục Khuỷu

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng nghiên cứu về động cơ không trục khuỷu cũng gặp phải không ít thách thức. Các vấn đề như hiệu suất không ổn định, khó khăn trong việc điều chỉnh và tối ưu hóa thiết kế vẫn đang là những trở ngại lớn. Việc phát triển công nghệ này đòi hỏi sự đầu tư lớn về thời gian và nguồn lực.

2.1. Hiệu Suất Không Ổn Định

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo hiệu suất ổn định của động cơ. Các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và tốc độ hoạt động có thể ảnh hưởng đến hiệu suất phát điện. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa các thông số này.

2.2. Khó Khăn Trong Thiết Kế

Thiết kế động cơ không trục khuỷu yêu cầu sự kết hợp giữa nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện tử và vật liệu. Việc tìm kiếm các vật liệu nhẹ nhưng bền và các giải pháp kỹ thuật phù hợp là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Năng Phát Điện Của Động Cơ Không Trục Khuỷu

Để nghiên cứu tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu, các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm được áp dụng. Sử dụng phần mềm như Maxwell và Matlab giúp mô phỏng các giá trị công suất và dòng điện, từ đó tìm ra đặc tính của máy phát điện tuyến tính. Các thí nghiệm thực tế cũng được thực hiện để xác minh các kết quả mô phỏng.

3.1. Mô Phỏng Bằng Phần Mềm

Phần mềm Maxwell và Matlab được sử dụng để mô phỏng các thông số kỹ thuật của động cơ. Qua đó, các giá trị công suất và dòng điện được tính toán, giúp xác định hiệu suất hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Thí Nghiệm Thực Tế

Các thí nghiệm thực tế được thực hiện để kiểm tra tính chính xác của các mô phỏng. Kết quả từ các thí nghiệm này cung cấp thông tin quý giá về hiệu suất và khả năng phát điện của động cơ không trục khuỷu.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Động Cơ Không Trục Khuỷu Trong Phát Điện

Động cơ không trục khuỷu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực phát điện, đặc biệt là trong các hệ thống năng lượng tái tạo. Việc sử dụng động cơ này trong các phương tiện giao thông như ô tô điện giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy rằng động cơ này có thể cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị điện tử.

4.1. Ứng Dụng Trong Ô Tô Điện

Động cơ không trục khuỷu có thể được sử dụng trong ô tô điện để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu khí thải. Việc áp dụng công nghệ này giúp tăng cường khả năng hoạt động của ô tô điện, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành.

4.2. Ứng Dụng Trong Năng Lượng Tái Tạo

Động cơ này cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Việc chuyển đổi năng lượng từ các nguồn này thành điện năng thông qua động cơ không trục khuỷu giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Tính Năng Phát Điện Của Động Cơ Không Trục Khuỷu

Nghiên cứu về tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu đang mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp ô tô và năng lượng tái tạo. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với sự phát triển không ngừng của công nghệ, động cơ này hứa hẹn sẽ trở thành một phần quan trọng trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này là cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu và giảm thiểu ô nhiễm.

5.1. Tương Lai Của Động Cơ Không Trục Khuỷu

Tương lai của động cơ không trục khuỷu rất hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực phát điện và ô tô điện. Sự phát triển của công nghệ này sẽ góp phần vào việc bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống.

5.2. Khuyến Nghị Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần có các nghiên cứu sâu hơn về hiệu suất và khả năng hoạt động của động cơ không trục khuỷu. Việc tối ưu hóa thiết kế và cải tiến công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng và xu hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa tại Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường do phương tiện giao thông ngày càng trở nên nghiêm trọng. Theo ước tính, lượng khí thải từ các phương tiện giao thông góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng trực tiếp đến biến đổi khí hậu toàn cầu. Để giải quyết vấn đề này, ô tô điện được xem là giải pháp tiềm năng, tuy nhiên vẫn tồn tại hạn chế như phạm vi hoạt động còn thấp và thời gian sạc dài. Động cơ không trục khuỷu (Free Piston Linear Engine - FPLE) được giới thiệu như một công nghệ mới với ưu điểm hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và giảm thiểu ô nhiễm so với động cơ truyền thống.

Luận văn tập trung khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu kết hợp với máy phát điện tuyến tính 1 pha, nhằm đánh giá hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng sang điện năng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2018-2021. Mục tiêu chính là xác định đặc tính công suất, dòng điện và điện áp của máy phát điện tuyến tính khi vận hành ở các tốc độ khác nhau, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu hóa hiệu suất phát điện.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ động cơ sạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là các dòng xe điện và xe lai hybrid. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng động cơ FPLE trong các hệ thống phát điện nhỏ gọn, hiệu suất cao, phù hợp với xu thế phát triển bền vững hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết động cơ không trục khuỷu (Free Piston Engine - FPE) và nguyên lý hoạt động của máy phát điện tuyến tính (Linear Permanent Magnet Generator - LPMG).

1. Động cơ không trục khuỷu (FPE): Đây là loại động cơ piston tự do, không sử dụng trục khuỷu để điều khiển chuyển động piston mà dựa vào sự tương tác giữa buồng đốt, thiết bị phục hồi và thiết bị tải. Ưu điểm của FPE bao gồm giảm tổn thất ma sát, kích thước nhỏ gọn, chi phí sản xuất và bảo trì thấp. Các loại FPE phổ biến gồm piston đơn, piston kép và piston đối lập, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng biệt.

2. Máy phát điện tuyến tính (LPMG): Là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Faraday. Máy phát tuyến tính có cấu tạo gồm phần ứng (stator) và phần cảm (rotor) chứa nam châm vĩnh cửu. Phân loại máy phát tuyến tính dựa trên hướng thông lượng (dọc hoặc ngang) và vị trí nam châm (cuộn dây di chuyển, máy sắt chuyển động, máy nam châm chuyển động). LPMG có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, hiệu suất cao và phù hợp với chuyển động tuyến tính của FPE.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: tỷ số nén, lực đẩy piston, chuyển vị và vận tốc piston, điện cảm, suất điện động (emf), lực cogging, và hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp giữa lý thuyết, mô hình hóa và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời sử dụng số liệu thực nghiệm từ nguyên mẫu máy phát điện tuyến tính 1 pha được thiết kế và chế tạo.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Maxwell V16 để mô phỏng từ trường và tính toán các thông số điện từ của máy phát điện tuyến tính. Phần mềm Matlab được dùng để mô phỏng đặc tính công suất, dòng điện và điện áp theo các vận tốc piston khác nhau. Các mô hình toán học được xây dựng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ và động lực học piston.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào máy phát điện tuyến tính 1 pha với các vận tốc piston từ 0,3 m/s đến 0,5 m/s, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của động cơ FPLE.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 4/2018 đến tháng 6/2021, bao gồm các giai đoạn tổng quan tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm nguyên mẫu.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao, đồng thời tạo cơ sở cho việc phát triển các hệ thống phát điện hiệu suất cao từ động cơ không trục khuỷu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mối quan hệ giữa tốc độ piston và công suất phát điện: Khi tốc độ piston tăng từ 0,3 m/s lên 0,5 m/s, công suất phát điện tăng từ 1,2 W lên 15 W, tương ứng mức tăng hơn 1100%. Điều này chứng tỏ tốc độ piston là yếu tố quyết định đến hiệu suất phát điện của máy phát tuyến tính.

2. Đặc tính điện áp theo vận tốc và tải: Điện áp đầu ra của máy phát điện tuyến tính tăng từ 12 V đến 20 V khi có tải và từ 4 V đến 10 V khi không tải, tương ứng với tốc độ piston từ 0,3 m/s đến 0,5 m/s. Sự tăng điện áp này phản ánh khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả của máy phát.

3. Mô phỏng từ trường và điện cảm: Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Maxwell cho thấy phân bố mật độ từ thông trên bề mặt máy phát đạt khoảng 0,45 Tesla, đảm bảo đủ lực điện từ để tạo ra dòng điện ổn định. Điện cảm cuộn dây được tính toán phù hợp với thiết kế, giúp giảm tổn thất và tăng hiệu suất.

4. Thiết kế và chế tạo nguyên mẫu: Máy phát điện tuyến tính 1 pha được thiết kế dựa trên các thông số mô phỏng, sau đó chế tạo thành công và thử nghiệm thực tế cho kết quả phù hợp với dự đoán mô phỏng, khẳng định tính khả thi của mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự tăng công suất và điện áp theo tốc độ piston là do sự gia tăng tần số thay đổi từ thông trong cuộn dây, từ đó tăng suất điện động cảm ứng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của các nhà nghiên cứu quốc tế về hiệu suất của máy phát điện tuyến tính trong động cơ FPLE.

Việc sử dụng phần mềm Maxwell và Matlab giúp mô phỏng chính xác các đặc tính điện từ và động lực học, từ đó tối ưu hóa thiết kế máy phát điện. Kết quả thử nghiệm nguyên mẫu cho thấy sự phù hợp giữa mô phỏng và thực tế, tạo tiền đề cho việc ứng dụng công nghệ này trong các hệ thống phát điện nhỏ gọn, hiệu suất cao.

Biểu đồ công suất theo vận tốc và điện áp theo tải có thể được trình bày để minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các biến số, giúp người đọc dễ dàng hình dung và đánh giá hiệu quả của máy phát điện tuyến tính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế máy phát điện tuyến tính: Đề xuất sử dụng các phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu để điều chỉnh chiều dài nam châm vĩnh cửu, hướng từ hóa và cấu trúc stator nhằm nâng cao hiệu suất phát điện, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật thực hiện.

2. Phát triển nguyên mẫu máy phát điện đa pha: Khuyến nghị mở rộng nghiên cứu sang máy phát điện tuyến tính đa pha để tăng công suất và ổn định điện áp đầu ra, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp và ô tô điện, thời gian thực hiện dự kiến 18 tháng.

3. Ứng dụng công nghệ làm mát và vật liệu mới: Đề xuất nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tính chịu nhiệt cao và hệ thống làm mát hiệu quả nhằm giảm ảnh hưởng nhiệt độ đến từ tính của nam châm, nâng cao độ bền và tuổi thọ máy phát, thực hiện trong 24 tháng.

4. Tích hợp hệ thống điều khiển thông minh: Khuyến nghị phát triển hệ thống điều khiển tự động để điều chỉnh vận tốc piston và tải máy phát nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu rung động, dự kiến triển khai trong 12 tháng với sự phối hợp của các chuyên gia cơ điện tử.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao công suất phát điện lên ít nhất 20% trong vòng 2 năm tới, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng và chi phí bảo trì, góp phần thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ động cơ không trục khuỷu trong ngành công nghiệp ô tô và năng lượng tái tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí động lực: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về động cơ không trục khuỷu và máy phát điện tuyến tính, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành.

2. Kỹ sư thiết kế động cơ và hệ thống phát điện: Các kỹ sư có thể áp dụng kết quả mô phỏng và thiết kế để phát triển nguyên mẫu, tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất trong thực tế.

3. Doanh nghiệp sản xuất ô tô điện và xe lai hybrid: Thông tin về công nghệ FPLE và máy phát điện tuyến tính giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả năng lượng, giảm phát thải và cải thiện tính cạnh tranh sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sạch, thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững trong ngành giao thông vận tải.

Mỗi nhóm đối tượng sẽ nhận được lợi ích thiết thực từ việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào công việc chuyên môn, góp phần thúc đẩy sự phát triển công nghệ và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ không trục khuỷu (FPE) khác gì so với động cơ truyền thống?
   FPE không sử dụng trục khuỷu để điều khiển piston mà dựa vào sự tương tác giữa buồng đốt và thiết bị tải, giúp giảm tổn thất ma sát và kích thước nhỏ gọn hơn. Ví dụ, FPE có thể đạt gia tốc piston cao hơn 60% so với động cơ truyền thống.

2. Máy phát điện tuyến tính hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Máy phát điện tuyến tính hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ Faraday, khi nam châm vĩnh cửu di chuyển qua cuộn dây, tạo ra dòng điện cảm ứng. Điều này tương tự như máy phát điện quay nhưng chuyển động là tuyến tính.

3. Tại sao tốc độ piston ảnh hưởng lớn đến công suất phát điện?
   Tốc độ piston quyết định tần số thay đổi từ thông trong cuộn dây, từ đó ảnh hưởng đến suất điện động và công suất. Nghiên cứu cho thấy công suất tăng từ 1,2 W lên 15 W khi tốc độ tăng từ 0,3 m/s lên 0,5 m/s.

4. Ưu điểm của máy phát điện tuyến tính so với máy phát điện quay là gì?
   Máy phát điện tuyến tính có cấu trúc đơn giản, phù hợp với chuyển động tuyến tính của FPE, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu suất trong các ứng dụng nhỏ gọn như xe điện hybrid.

5. Có thể ứng dụng công nghệ này trong thực tế như thế nào?
   Công nghệ FPLE kết hợp máy phát điện tuyến tính có thể ứng dụng trong xe điện hybrid để tăng hiệu suất năng lượng, giảm phát thải và mở rộng phạm vi hoạt động của xe khi kết hợp với pin hoặc nguồn năng lượng tái tạo.

Kết luận

• Động cơ không trục khuỷu kết hợp máy phát điện tuyến tính là giải pháp tiềm năng cho các hệ thống phát điện hiệu suất cao, thân thiện môi trường.
• Mối quan hệ giữa tốc độ piston và công suất phát điện được xác định rõ, với công suất tăng đáng kể khi tốc độ piston tăng từ 0,3 m/s đến 0,5 m/s.
• Mô phỏng và thử nghiệm nguyên mẫu cho thấy tính khả thi và hiệu quả của thiết kế máy phát điện tuyến tính 1 pha.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế, vật liệu và hệ thống điều khiển nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của máy phát điện.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng sang máy phát đa pha và ứng dụng trong các hệ thống xe điện hybrid trong vòng 2-3 năm tới.

Luận văn kêu gọi các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển công nghệ động cơ không trục khuỷu và máy phát điện tuyến tính nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô điện và năng lượng sạch tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TOÀN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TOÀN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2021 i ii iii iv v vi vii LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Võ Bảo Toàn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 22/11/1976 Nơi sinh: Long an Quê quán: Phước Hậu- Cần Giuộc- Long An Dân tộc:Kinh Chỗ ở riêng: Tổ 19 Ấp Long Giêng- Xã Phước Hậu- Cần Giuộc- Long An Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0918.320 Fax votoan_ttdncg@yahoo.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Đại Học chính quy Thời gian đào tạo từ: 9/1999-1/2003 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học:Công nghệ kỹ thuật ô tô (cơ khí động lực) Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2003 viii 3.Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ đến Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm kỹ thuật Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí động lực Tên luận văn: khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: T. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): B1 6.

Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 9/2004- Trung Tâm dạy Nghề Cần Giuộc Tổ Trưởng bộ môn cơ khí 11/6/2012 12/6/2012— Trường Trung Cấp Nghề Cần Giuộc Trưởng Khoa cơ khí 30/12/2019 1/2/2019-- Trường Cao Đẳng Long An-Cơ Sở Trưởng Bộ Môn cơ Khí nay Cần Giuộc ix LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 9 tháng 5 năm 2021 (Ký tên và ghi rõ họ tên) x LỜI CẢM TẠ Trong khoảng thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thân yêu này, tôi nhận được sự hướng dẫn tận tình, quan tâm sâu sắc của quý thầy, cô luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cho tôi, đó là nền tảng, động lực cho tôi học tập và nghiên cứu, cũng như những kiến thức đó tôi sẽ vận dụng có ích, linh hoạt vào trong đời sống sau này.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô tại Khoa Cơ khí Động lực và quý thầy cô ở các khoa khác đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức hay và bổ ích, đó là những kiến thức làm nền tảng cho tôi vận dụng vào luận văn thạc sỹ này. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới người thầy đáng kính TS. Nguyễn Văn Trạng, người mà đã tận tình, tận tâm tạo mọi điều kiện tốt nhất để hướng dẫn cho tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù tôi đã hoàn thành luận văn này nhưng chắc sẽ còn thiếu sót, tôi mong nhận được sự đóng góp chân tình của quý thầy cô trong hội đồng và đọc giả để đề tài của tôi được hoàn chỉnh hơn.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và gửi lời cảm ơn sâu sắc tới quý thầy cô, chúc quý thầy cô và gia đình luôn vui vẻ, mạnh khoẻ, hạnh phúc, thành đạt trong sự nghiệp trồng người. Học viên cao học xi TÓM TẮT Ô tô điện đang trở thành một xu hướng tất yếu trong tương lai gần, được coi là chìa khóa để giải quyết những vấn đề ô nhiễm môi trường trong các thành phố lớn. Ô tô điện được chia thành hai loại thuần điện và hybrid. Với công nghệ hiện nay phạm vi hoạt động ôtô thuần điện đã cao hơn nhưng thời gian sạc dài, ô tô hybrid tuy hết hợp với động cơ đốt trong nhưng vẫn đối mặt với vấn đề ô nhiễm và hiệu suất thấp.

Để khắc phục vấn đề này, ý tưởng động cơ piston tự do (FPLE –free piston linear engine) đã được đưa ra, với ưu điểm hiệu suất cao và ít ô nhiễm so với động cơ truyền thống. Động cơ chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng thông một máy tuyến tính. Trong luận văn này, bằng phần mềm Maxwell và phần mềm Matlab đã mô phỏng các giá trị công suất và dòng điện từ đó tìm ra đặc tính của máy phát điện tuyến tính. Khi tốc độ tăng từ 0,3 m/s tới 0,5 m/s kéo theo công suất tăng từ 1,2 W lên tới 15 W.

Từ tính toán, mô phỏng đã thiết kế chế tao máy phát 1 pha. Từ đó đưa ra các thực nghiệm, điện áp tăng theo tốc độ trung bình 0,3m/s đến 0,5m/s, điện áp tăng từ 12V đến 20V khi có tải và từ 4V đếm 10V khi có tải. Từ những đặc tính có được, đề tài góp phần nghiên cứu về sự chuyển đổi năng lượng của động cơ FPLE. xii ABSTRACT The electric vehicle is becoming an inevitable trend shortly, seen as the key to solving environmental pollution problems in big cities.

Electric cars are divided into two types of pure electric and hybrid. With the current technology, the range of pure electric cars is higher but the charging time is long, hybrid cars, although all suitable for internal combustion engines, still face problems of pollution and low efficiency. To overcome this problem, the idea of a free-piston engine (FPLE- free-piston linear engine) was introduced, with the advantage of high efficiency and less pollution compared to traditional engines. The motor converts heat energy directly into electricity through a linear computer.

In this thesis, using Maxwell software and Matlab software simulated the values of power and current, thus finding the characteristic of a linear generator. When the speed increases from 0.5 m / s, the power increases from 2. From the calculation, the simulation has designed a 1-phase generator. From there, giving the experiments, the voltage increases with an average speed of 0.5m / s, the voltage increases from 12V to 20V under load and from 4V to count 10V under load.

From the obtained properties, the thesis contributes to research on the energy conversion of FPLE motors xiii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC: Alternating current BDC: Bottom dead centre CNG: Compressed natural gas DLR: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DC: Direct current EMLA: Electromagnetic linear actuator FPE: Free piston engine FPEG: Free piston engine generator FPLE: Free piston linear engine FPLG: Free piston linear generator ICE: Internal combustion engine LPMG: Linear permanent magnet generator PM: Permanent magnet PMLA:Permanent magnet linear actuator PMLEM: Permanent magnet liear electric machine TDC: Top dead centre TFM: Transversal flux machines xiv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.2 Các thông số tính toán .1 Thông số về các loại dây đạt tiêu chuẩn Mỹ. Các thông số mô phỏng công suất.47 xv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 a-Cấu hình FPE đơn; b-Cấu hình FPE kép ; c-Cấu hình FPE đối đỉnh ; d-Cấu hình FPE hỗn hợp .2 Nguyên mẫu FPEG được chế tạo và lắp ráp [1] .3 Cơ cấu máy phát tuyến tính động cơ free-piston đối lập .4 Cấu tạo FPLE [6] .5 Cấu tạo máy phát điện [6] .6 Mô hình động cơ FPG [8] .7 Mô hình hóa bộ phát điện của tác giả được phát triển từ động cơ FPLE [9] .1 Mô hình động cơ free-piston hai buồng đốt đối lập .2 Mô hình động cơ free-piston loại piston đơn .3 Mô hình động cơ free-piston loại piston kép .4 Mô hình động cơ free-piston loại piston đối lập .5 Biểu đồ thể hiện tỷ lệ nén tại các chu kỳ tương ứng với các mức lực đẩy khác nhau .6 Đồ thị P-V của thời điểm đánh lửa khác nhau .7 Vận tốc và chuyển vị piston của động đơ 2 kì và động cơ 4 kì .8 Áp suất và thể tích trong xylanh của động cơ 2 kì và động cơ 4 kì .9 Công suất sinh ra khi thay đổi góc mở bướm ga .10 Mặt cắt máy phát tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu .11 Các đường thông lượng dọc trong một máy tuyến tính hình học trụ .12 Các mẫu cấu hình của MIM (a) Hình ổng ; (b) Hình phẳng .13 Mô hình 2D của máy từ thông ngang (TFM ) .14 Cấu trúc liên kết phẳng của TFLM với RM (a) Cấu trúc 3 cực, (b) Cấu trúc 6 cực 24 .2 Mô hình khe .3 Mô hình Maxwell 3-D máy phát điện tuyến tính .4 Phân bố mật độ từ thong trên bề mặt .5 Phương chiều Vector B .6 Kết quả tính toán điện cảm trong cuộn dây .7 Mạch tương đương của máy phát cho hoạt động trạng thái ổn định .8 Chuyển vị phần cảm (phần dịch chuyển) - Tốc độ 0,3 m/s .9 Dòng điện pha I(A) - Tốc độ 0,3 m/s .10 Điện áp pha U (V) - Tốc độ 0,3m/s.11 Công suất P (W)-Tốc độ 0,5 m/s.12 Chuyển vị phần cảm (phần dịch chuyển) .13 Dòng điện pha I (A) - Tốc độ 0,5 m/s .14 Điện áp pha U (V) - Tốc độ 0,5 m/s.15 Công suất P(W)- Tốc độ 0,5 m/s. 67 xvii MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC. i LỜI CAM ĐOAN.

x LỜI CẢM TẠ. xii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. xiv DANH MỤC CÁC BẢNG. xv DANH MỤC CÁC HÌNH.

xvi MỤC LỤC .xviii Chƣơng 1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài. Các nghiên cứu ở trong nước. Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài.

Lý do chọn đề tài. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Kế hoạch thực hiện. Động cơ không free-piston:. Tổng quan về động cơ free-piston:.

Ưu điểm động cơ free- piston:. Các loại động cơ free-piston:. Các đặc tính cơ bản của động cơ free-piston:. Động lực học của piston:.

Máy phát tuyến tính:. Giới thiệu về máy phát tuyến tính:. Phân loại cơ bản của máy phát tuyến tính:. Máy thông lƣợng dọc:.

Máy thông lƣợng ngang:. Nguyên lý hoạt động máy phát điện tuyến tính. 49 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG. Tính toán máy phát điện tuyến tính 1 pha .