Chương 1: Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Chương 2: Giới thiệu động cơ không chổi than dòng 1 chiều (BLDC). Chương 3: So sánh máy PMSM và BLDC bàn về điều khiển trực tiếp mô men các động cơ này. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM) 1.
CẤU TẠO Hình1.1 Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu Ở loại động cơ này cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dư rất lớn ( 0,5 ÷ 1,5 T ). Cực từ có dạng cực lồi và đặt ởrôto khoảng cách giữa các cực có đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ. Nếu dùng làm động cơ điện thì cần đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì khó gia công rãnh trên hợp kim nam châm nên thường chế tạo lồng sóc như động cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu.
Với kết cấu như vậy sẽ tốn vật liệu hơn và thường chế tạo với công suất : 30 ÷ 40 W. Trong trường hợp dùng như máy phát không có dây quấn mở máy, công suất có thểlên tới 5 ÷ 10 KW đôi khi đến 100KW. Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nóiriêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở roto và phần ứng là hệđây quấn 3 pha đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thìphần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặthoặc dưới bề mặt roto.
Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm 2 ví dụ như samariu - cobalt (SmCO 5 – SmCO 17 ) hoặc Neodymium – ion – boron (NdFeb) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép roto đểđạt dược độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữacác thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bulon lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm có độ bền cao. Vì rotor không cần nguồn kích thích nên động cơ loại này có thể hoạt động mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn. Những động cơ này có công suất từ 100w đến 100kw.
Momen tối đa của máy được thiết kế không vượt quá 150% momen định mức.Nếu máy hoạt động quá momen max thì sẽ mất tính đồng bộ và sẽ hoạt động như một động cơ cảm ứng hoặc ngưng hoạt động. Những động cơ này đa số là khởi động trực tiếp. Công suất và hệ sốcông suất của mỗi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường tốt hơn 5 đến 10 lần động cơ từ trở tương ứng. * Ưu điểm Động cơ không có chổi than hoặc vành trượt trên rotor thì không sinh ra tia lửa điện khi hoạt động, lúc này công việc bảo dưỡng chổi than được bài trừ.
Những động cơ này có thể kéo vào đồng bộ các tải có mức quán tính lớn hơn quán tính rotor của chúng nhiều lần. Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thành 2 loại: Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét dưới đây có thể thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy này. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi. Cấu tạo gồm 2 phần chính là roto và stato: *Stato của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.Lõi thép stato gồm các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic dày 0,5mm) 2 mặt được phủ lớp sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lạivới nhau tạo thành những hình trụ rỗng , bên mặt trong 3 tạo thành các rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn.
Dọc chiều dài của lõi thép stator cư cách khoảng 3 -6 cm lại có một khoảng thông gió ngang trục rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy. Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió làm mát máy tốt nhất. Nắp máy thường được chế tạo bằng gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc.
Dây quấn stator thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật, bề mặt dược phủ một lớp cách điện, được quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo qui luật nhất định tạo thành sơ đồ hình sao hoặc tam giác. * Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kính roto có thể lớn trong khi chiều dài lại nhỏ. Roto thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao. Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này.
Các loại máy này thường được goi là máy từ trường hướng trục. Loại nàythường được sử dụng trong kỹ thuật robot.Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi 1. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn. * Stator động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự như động cơ cực lồi * Roto của máy điện cực ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn bằng khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm.
4 Khi các thanh nam châm ẩn trong rôt thì có thể đạt được cẩu trúc cơ học bền vững hơn. Kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto thường có dạng hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn. Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính, nó thường được sử dụng trong các máy công cụ.
Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể dược gọi là khe hở không khí đều. Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép roto về mặt vật lí coi là không có sự thay đổi nào của hình học bề mặt nam châm. Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh , vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả không gian vuông góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện.3 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn Với yêu cầu của truyền động secvo và truyền động phải êm, do đó cần phải hạn chế momen răng và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra.
Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm , uốn nam châm lượn chéo theo trục roto, uốn rãnh và dây quấn stattro kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm. Kỹ thuật tạo ra các roto xiên là khá đắt tiền và phức tạp. Trong điều kiện bình thường của truyền động secvo , nếu momen điều hòa răng cỡ 2% momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được. Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các momen 5 điều hòa răng trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từbộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vịtrí của động cơ.
Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển , trên stattor có các răng , ngày nay ta có thể chế tạo stato không răng. Trong trường hợp này dây quấn stato được chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stato. Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở chế độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quấn statto nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy. Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hởnên phải chế tạo roto có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều kiểu roto khác nhau. Dưới đây là 3 kiểu thường gặp trong thực tế: Hình 1.4 Các kiểu rotor máy điện đồng bộ cực ẩn 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ PMSM PMSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của nó như sau: khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từtrường quay với tốc độ n tt = 60f/p, trong đó f- tần số biến thiên của dòng điện, p – số đôi cực. Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của mô men này có giá trị 0.
Để máy điện có thểlàm việc được phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ 6 trường, lúc này mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0. Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thường mà ta đã nghiên cứu trước đây. Do đó khởi động bằng máy lai ngoài, phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên rất ít khi sử dụng. Phương pháp hay dùng nhất đó là phương pháp khởi động dị bộ.
Lúc này mới đặt tải lên động cơ. Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với tốc độ đồng bộ. TÍNH CHẤT CỦA ĐỘNG CƠ PMSM 1. Mô hình toán của PMSM.
Stator của động cơ đồng bộ có cuộn dây kích từ ở rotor giống nhau. Nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong PMSM là biến thể của đất hiếm hiện đại với điện trở suất lớn nên dòng cảm ứng rotor có thể bỏ qua. Hơn nữa không có sự khác biệt sức phản điện động cảm ứng bởi nam châm vĩnh cửu và sức điện động cảm ứng bởi từ trường do dòng kích từ tạo ra. Vì vậy mô hình toán của PMSM giống như của loại động cơ đồng bộ thường có cuộn kích từ ởrotor.
