Tổng quan nghiên cứu

Động cơ điện một chiều (DC) là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải. Trong đó, động cơ DC đồng trục với hai trục quay ngược chiều nhau là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm khắc phục các hạn chế về mômen xoắn và mômen xoắn gây xoay không mong muốn trong các thiết bị cơ khí phức tạp. Theo ước tính, việc sử dụng động cơ đồng trục có thể tăng hiệu suất truyền động từ 6% đến 20% tùy theo ứng dụng thực tế, như trong các hệ thống chân vịt kép đồng trục của tàu thuyền hoặc thiết bị bay.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế động cơ DC đồng trục công suất 35 kW, điện áp 90 V, tốc độ 1760 vòng/phút, nhằm phát triển mô hình toán học, thiết kế chi tiết, mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả hoạt động. Phạm vi nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình toán học kết hợp giữa động cơ DC và động cơ 3 pha đồng trục, thiết kế thông số kỹ thuật, phát triển giao diện thiết kế trên Matlab, chế tạo mô hình thực nghiệm và hệ thống đo kiểm tra mômen xoắn, tốc độ. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất, giảm mômen xoắn gây xoay không mong muốn, góp phần phát triển các hệ truyền động đồng trục trong công nghiệp cơ điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều và mô hình toán học động cơ đồng trục.

  1. Nguyên lý động cơ điện một chiều (DC): Động cơ DC hoạt động dựa trên lực điện từ tác dụng lên phần ứng khi có dòng điện chạy qua trong từ trường kích thích. Các thành phần chính gồm rotor (phần quay), stator (phần đứng yên), cổ góp, chổi than và dây quấn. Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp được mô tả bằng phương trình đặc tính co, trong đó mômen và tốc độ có quan hệ nghịch biến theo dạng hyperbol.

  2. Mô hình toán học động cơ đồng trục: Mô hình kết hợp giữa mô hình toán học của động cơ DC và động cơ 3 pha đồng trục, biểu diễn bằng hệ phương trình trạng thái với các biến góc quay của stator và rotor, mômen điện từ, mômen tải ngoài và hệ số ma sát. Mô hình này cho phép mô phỏng sự tương tác giữa hai trục quay ngược chiều nhau và tính toán mômen xoắn tổng thể.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: mômen quán tính, hệ số ma sát động, điện trở và cảm kháng cuộn dây, thời gian điện học, mômen điện từ, và đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam, Nga và Ấn Độ, cùng với số liệu thực nghiệm từ mô hình động cơ DC đồng trục nhỏ được chế tạo.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học: Kết hợp mô hình động cơ DC và động cơ 3 pha đồng trục, biểu diễn bằng hệ phương trình trạng thái, sử dụng các tham số vật lý và điện từ.

  • Tính toán thiết kế: Dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật, tính toán các thông số như kích thước stator, rotor, rãnh dây quấn, khe hở không khí, số vòng dây, điện trở, cảm kháng, mômen quán tính.

  • Mô phỏng: Sử dụng Matlab Simulink và phần mềm ANSYS Maxwell để mô phỏng đặc tính điện từ và cơ học của động cơ.

  • Thực nghiệm: Chế tạo mô hình động cơ DC đồng trục nhỏ công suất 250 W, thiết kế hệ thống đo mômen xoắn và tốc độ với encoder và thiết bị thu thập dữ liệu NI USB 6008, sử dụng LabVIEW để thu thập và phân tích dữ liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thực nghiệm.

Cỡ mẫu thực nghiệm là một mô hình động cơ nhỏ, được chọn để kiểm chứng tính khả thi của thiết kế và mô hình toán học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình toán học động cơ DC đồng trục: Hệ phương trình trạng thái được xây dựng thành công, mô phỏng trên Matlab cho thấy sự tương tác giữa hai trục quay ngược chiều, mômen điện từ tác dụng lên stator và rotor có giá trị bằng nhau nhưng ngược chiều, giúp khử mômen xoắn gây xoay không mong muốn.

  2. Thiết kế động cơ 35 kW, 90 V, 1760 vòng/phút: Các thông số kỹ thuật được tính toán chi tiết, bao gồm đường kính stator 310 mm, chiều cao tâm trục 160 mm, số rãnh phần ứng 63, số vòng dây quấn kích từ nối tiếp 15 vòng, mật độ dòng điện trong dây dẫn khoảng 450 A/cm². Hiệu suất dự kiến đạt khoảng 87%.

  3. Mô phỏng trên ANSYS Maxwell: Kết quả mô phỏng trường từ và mômen điện từ phù hợp với tính toán lý thuyết, sai số dưới 5%, xác nhận tính chính xác của mô hình thiết kế.

  4. Thực nghiệm mô hình động cơ 250 W: Đo điện trở, cảm kháng, thời gian điện học và mômen quán tính cho thấy các thông số phù hợp với mô hình toán học. Thí nghiệm vận tốc và mômen xoắn cho thấy động cơ hoạt động ổn định, mômen xoắn đạt khoảng 0.42 Nm ở tải định mức, hiệu suất thực nghiệm đạt 70%, phù hợp với dự kiến.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình toán học và thực nghiệm cho thấy thiết kế động cơ DC đồng trục với hai trục quay ngược chiều có khả năng khử mômen xoắn gây xoay hiệu quả, tăng tính ổn định cho hệ truyền động. So sánh với các nghiên cứu trước đây về động cơ đồng trục và hệ truyền động hai tầng cánh quay ngược chiều, kết quả này tương đồng và có cải tiến về khả năng điều khiển tốc độ độc lập từng trục.

Việc sử dụng giao diện thiết kế trên Matlab giúp tăng tính linh hoạt trong việc điều chỉnh thông số thiết kế, rút ngắn thời gian thiết kế và giảm sai số. Hệ thống đo kiểm tra mômen xoắn và tốc độ được thiết kế phù hợp, cho phép thu thập dữ liệu chính xác, hỗ trợ đánh giá hiệu quả thiết kế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tính mômen - tốc độ, bảng so sánh thông số thiết kế và thực nghiệm, biểu đồ mô phỏng trường từ trên ANSYS Maxwell để minh họa sự phân bố từ trường và mômen điện từ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển độc lập cho hai trục: Thiết kế và tích hợp bộ điều khiển tốc độ riêng biệt cho rotor và stator nhằm tối ưu hóa khả năng khử mômen xoắn gây xoay, nâng cao hiệu suất truyền động. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do phòng thí nghiệm cơ điện tử chủ trì.

  2. Nâng cấp mô hình thực nghiệm công suất lớn hơn: Chế tạo mô hình động cơ đồng trục công suất từ 5 kW trở lên để kiểm chứng tính ứng dụng trong thực tế, đặc biệt cho các thiết bị di chuyển dưới nước hoặc thiết bị bay. Thời gian thực hiện 18 tháng, phối hợp với các đơn vị công nghiệp.

  3. Tối ưu hóa thiết kế cơ khí: Cải tiến kết cấu rotor và stator, vật liệu cách điện và vật liệu lõi thép nhằm giảm tổn hao điện từ và cơ khí, tăng độ bền và tuổi thọ động cơ. Thời gian thực hiện 9 tháng, do nhóm thiết kế cơ khí đảm nhận.

  4. Mở rộng ứng dụng trong các hệ truyền động đồng trục: Nghiên cứu áp dụng thiết kế động cơ DC đồng trục cho các hệ thống chân vịt kép, thiết bị bay đa cánh, và robot di động nhằm tăng hiệu suất và ổn định vận hành. Thời gian thực hiện 24 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế động cơ DC đồng trục, mô hình toán học và phương pháp thực nghiệm, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.

  2. Kỹ sư thiết kế động cơ và hệ truyền động: Tham khảo để áp dụng các phương pháp thiết kế, mô phỏng và kiểm tra động cơ đồng trục, nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cơ khí và điện tử: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm động cơ đồng trục có hiệu suất cao, tiết kiệm nhiên liệu và giảm mômen xoắn gây xoay không mong muốn.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho động cơ DC đồng trục, góp phần nâng cao chất lượng nguồn nhân lực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Động cơ DC đồng trục là gì và có ưu điểm gì?
    Động cơ DC đồng trục là loại động cơ có hai trục quay ngược chiều nhau trên cùng một trục đồng tâm, giúp khử mômen xoắn gây xoay không mong muốn, tăng hiệu suất truyền động và ổn định vận hành. Ví dụ, trong các hệ chân vịt kép của tàu thuyền, động cơ đồng trục giúp tiết kiệm nhiên liệu từ 10% đến 15%.

  2. Phương pháp thiết kế động cơ DC đồng trục được thực hiện như thế nào?
    Thiết kế dựa trên mô hình toán học kết hợp giữa động cơ DC và động cơ 3 pha đồng trục, tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế, mô phỏng trên Matlab và ANSYS Maxwell, sau đó chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm tra.

  3. Làm thế nào để đo mômen xoắn và tốc độ của động cơ đồng trục?
    Sử dụng hệ thống đo gồm encoder gắn trên trục rotor và stator, thiết bị thu thập dữ liệu NI USB 6008 và phần mềm LabVIEW để ghi nhận và phân tích dữ liệu, từ đó tính toán mômen xoắn dựa trên độ lệch góc giữa hai trục.

  4. Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp có ảnh hưởng như thế nào đến thiết kế?
    Đặc tính cơ có dạng đường hyperbol, mômen và tốc độ có quan hệ nghịch biến. Thiết kế phải đảm bảo hoạt động trong vùng tải định mức để tránh hiện tượng bão hòa từ và chạy không tải gây hại cho động cơ.

  5. Ứng dụng thực tế của động cơ DC đồng trục là gì?
    Động cơ DC đồng trục được ứng dụng trong các thiết bị di chuyển dưới nước như ngư lôi, tàu ngầm, trong thiết bị bay đa cánh, và các hệ truyền động công nghiệp cần khử mômen xoắn gây xoay, giúp tăng hiệu suất và độ ổn định vận hành.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học động cơ DC đồng trục với hai trục quay ngược chiều, mô phỏng và thực nghiệm cho kết quả phù hợp.
  • Thiết kế động cơ 35 kW, 90 V, 1760 vòng/phút với các thông số kỹ thuật chi tiết, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc tế.
  • Mô phỏng trên Matlab và ANSYS Maxwell xác nhận tính chính xác của mô hình và thiết kế.
  • Mô hình thực nghiệm công suất nhỏ cho thấy hiệu suất và đặc tính vận hành ổn định, phù hợp với dự kiến.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển hệ thống điều khiển, nâng cấp mô hình thực nghiệm và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển hệ thống điều khiển độc lập cho hai trục và mở rộng quy mô mô hình thực nghiệm. Đề nghị các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển ứng dụng thực tế.