Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử: Thiết Kế Động Cơ DC Đồng Trục

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử tập trung thiết kế động cơ DC đồng trục, ứng dụng công nghệ hiện đại trong lĩnh vực cơ điện tử.

• Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết kế động cơ DC đồng trục
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về động cơ
• 1.2. Tổng quan về động cơ đồng trục
• 1.3. Một số giải pháp đề xuất
• 1.4. Nghiên cứu này chủ yếu đi sâu vào trình bày phương án thiết kế của giải pháp 4
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ BCT HVAC CỦA GIẢI LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
• 2.1. Nguyên lý của động cơ một chiều
• 2.2. Cấu tạo của máy điện một chiều
• 2.2.1. Stator của máy điện một chiều
• 2.2.2. Dây quấn phần ứng
• 2.2.3. Phân loại động cơ điện một chiều
• 2.2.4. Kết cấu máy điện
• 2.2.5. Phân loại theo phương pháp bảo vệ máy đối với môi trường
• 2.2.6. Phân loại theo cách lắp đặt
• 2.3. Tổng quan đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
• 2.3.1. Phương trình đặc tính cơ
• 2.3.2. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
• 2.3.3. Mô hình hóa hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHO ĐỘNG CƠ
• 3.1. Chọn kích thước chủ yếu
• 3.2. Kích thước rãnh phần ứng
• 3.3. Khe hở không khí, cực từ và gôn từ
• 3.4. Cổ góp, chổi than
• 3.5. Xây dựng Graphic User Interface (GUI trên Matlab) cho thiết kế chung cho động cơ DC
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kết quả mô phỏng trên Matlab simulink
• 4.2. Kết quả thiết kế động cơ một chiều 35 kW 90V 1760 vòng/phút
• 4.3. Kết quả thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Thiết kế cho phần thực nghiệm
• Phụ lục 2. Motor data Sheet
• Phụ lục 3. Matlab Code

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ DC đồng trục

Luận văn tập trung vào thiết kế động cơ DC đồng trục, một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử. Phần tổng quan giới thiệu sơ lược về các nghiên cứu liên quan đến động cơ đồng trục và ứng dụng thực tế. Động cơ DC đồng trục được chọn là loại có hai trục quay ngược chiều, một trục là phần cảm và một trục là phần ứng. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm mômen xoắn không mong muốn.

1.1. Lịch sử phát triển động cơ DC

Động cơ DC đã được phát triển từ thế kỷ 19, với những cải tiến đáng kể trong thiết kế và ứng dụng. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào động cơ một chiều, sau đó mở rộng sang động cơ AC và các loại động cơ đồng trục. Thiết kế động cơ DC đồng trục là bước tiến mới, kết hợp giữa cơ khí và điều khiển để tạo ra hệ thống hiệu quả hơn.

1.2. Ứng dụng thực tế

Động cơ đồng trục được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị di chuyển dưới nước, máy bay, và các hệ thống công nghiệp. Ví dụ, hệ thống chân vịt kép quay ngược chiều giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu. Thiết kế động cơ DC đồng trục cũng được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao như ngư lôi và tàu ngầm.

II. Nguyên lý và cấu tạo động cơ DC

Phần này trình bày nguyên lý hoạt động và cấu tạo của động cơ DC. Động cơ DC chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng thông qua lực điện từ. Cấu tạo chính bao gồm rotor (phần quay) và stator (phần đứng yên). Thiết kế động cơ DC đồng trục yêu cầu sự kết hợp chính xác giữa hai phần này để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.1. Nguyên lý điện từ

Khi cấp nguồn điện một chiều vào dây quấn phần cảm, từ trường kích thích được tạo ra. Dòng điện qua phần ứng tạo lực điện từ, làm quay rotor. Thiết kế động cơ DC đồng trục tận dụng nguyên lý này để tạo ra hai trục quay ngược chiều, giảm thiểu mômen xoắn không mong muốn.

2.2. Cấu tạo chi tiết

Động cơ DC bao gồm các bộ phận chính như stator, rotor, cổ góp, và chổi than. Thiết kế động cơ DC đồng trục yêu cầu sự chính xác trong việc lắp đặt các bộ phận này để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

III. Thiết kế và mô hình toán học

Phần trọng tâm của luận văn tập trung vào thiết kế động cơ DC đồng trục và xây dựng mô hình toán học. Mô hình toán được phát triển dựa trên sự kết hợp giữa mô hình động cơ DC và mô hình động cơ 3 pha đồng trục. Các thông số thiết kế được tính toán chi tiết để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Mô hình toán học

Mô hình toán học của động cơ DC đồng trục được xây dựng dựa trên các phương trình điện từ và cơ học. Thiết kế động cơ DC đồng trục yêu cầu tính toán chính xác các thông số như điện trở, cảm kháng, và mômen quán tính để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

3.2. Thiết kế GUI trên Matlab

Một giao diện đồ họa (GUI) được thiết kế trên Matlab để hỗ trợ tính toán và mô phỏng động cơ DC. Thiết kế động cơ DC đồng trục sử dụng GUI này để tối ưu hóa các thông số thiết kế và kiểm tra hiệu suất của hệ thống.

IV. Thực nghiệm và kết quả

Phần thực nghiệm bao gồm việc chế tạo mô hình động cơ DC đồng trục nhỏ và kiểm tra các thông số như mômen xoắn và tốc độ. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng trên Matlab và ANSYS Maxwell để đánh giá độ chính xác của thiết kế động cơ DC đồng trục.

4.1. Chế tạo mô hình thực nghiệm

Mô hình động cơ DC đồng trục nhỏ được chế tạo từ các động cơ DC có sẵn. Thiết kế động cơ DC đồng trục yêu cầu sự chính xác trong việc lắp đặt và kiểm tra các thông số kỹ thuật.

4.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng trên Matlab và ANSYS Maxwell được so sánh với kết quả thực nghiệm. Thiết kế động cơ DC đồng trục đạt được độ chính xác cao, với sai số nhỏ trong các thông số đo lường.

V. Kết luận và ứng dụng

Luận văn kết luận rằng thiết kế động cơ DC đồng trục là một giải pháp hiệu quả trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm mômen xoắn không mong muốn. Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và quốc phòng.

5.1. Giá trị thực tiễn

Thiết kế động cơ DC đồng trục mang lại giá trị thực tiễn cao, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và hiệu suất cao. Công nghệ này có thể được áp dụng trong các thiết bị di chuyển dưới nước, máy bay, và hệ thống công nghiệp.

5.2. Hướng phát triển tương lai

Trong tương lai, thiết kế động cơ DC đồng trục có thể được cải tiến thêm để tăng hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp công nghệ điều khiển tự động để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM TƯ GĐẠIHỌC CH HOA GUYE ĐỨC THỊ H THIET EDO G CƠ DC ĐỎ GT UC DESIGN FOR COAXIAL DC MOTOR Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã sô: 60520114 TP.HO CHI MINH th ng 12 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHOG -HCM C n bộ hướng dẫn khoa học :.-- [phone]£E+EE£E£E2EE£s2£ecEzcvee (Ghi rõ họ tên học hàm học vị và chữ ký) Con bộ chấm nhận xét Ì :.-- 2° 6 SE £EEE#EEEe+E#EEeeEeEerkereresri (Ghi rõ họ tên học hàm học vị và chữ ký) Con bộ chấm nhận xét 2 : . - ¿- ° sk9S*£ k£S£EEE#EEEe SE eErkerkererrsri (Ghi rõ họ tên học hàm học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học B ch Khoa ĐHQG Tp. Thành phan Hội đồng đ nh gi luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên học hàm học vị của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ) X cnhận của Chủ tịch Hội đồng đ nh gi LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỎ G T UO G_ HOA. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘ G HÒA Xà HỘI CHỦ GHĨA VIỆT AM TU GĐẠIHỌC CH HOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc HIỆM VU LUA VÀ THẠC SĨ Họ tên học vIÊn: . Ngày th ng năm sinh: . vn re Mã số :.1111 TH HH ng TL HIỆM VỤ VÀ OL DU) G: .Ặ-SẶ-22< 2S SE nerưet Ill. GAY GIAO HIỆM VU : (Ghi theo trong QD giao dé tài). GAY HOÀ THA H B HIỆM VỤ: (Ghi theo trong QD giao đề tài). C OHUO GDA CHỦ HIỆM OMO ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) T UO G_ HOA. (Họ tên và chữ ký) il LIC MO Em xin gửi lời c m on tới thầy hướng dẫn trực tiếp PGD.TS Nguyễn Tấn Tiến với những định hướng nghiên cứu c c phương ph p tiếp cân và tài liệu bố ích của Thây. Em xin gửi lời c m on tới tất cả các Thay trong hội đồng đ nh gi đề cương với những câu hỏi và lời góp ý bố ích cho đề tài này. Em xin gửi lời c m ơn tới tất cả các anh em trong High tech lab hỗ trợ đã tạo điều kiện giúp đỡ làm việc trong thời gian thực hiện luận văn. Em xin gửi lời c m ơn tới các anh em làm việc trong ngành EEIT Trường Đại học Việt Đức đã hỗ trợ và tư van về trang thiết bị dé làm thực nghiệm trong thời gian dự án. Và sau cùng, em xin gửi lời e m ơn đến vo con và gia đình em đã luôn động viên, hỗ trợ và là động lực chính để em hoàn thiện dự án. ili TÓM TAT LUA VĂ THAC SĨ Nội dung được trình bày trong luận văn này là thiết kế động cơ DC đồng trục bao gồm: Phan tông quan trình bày sơ lược về các nghiên cứu về động cơ đồng trục cùng một vài ứng dụng trong thực tế. Từ đó c c giải ph p được đưa ra và mô hình động cơ được chọn là loại động cơ DC có 2 trục có thể quay ngược chiều nhau (một trục là phan cảm va một trục là phan ứng). Phần lý thuyết về động cơ một chiều cũng như c c đặc tính cũng được tóm tắt lại. Phần trọng tâm của luận văn được trình bày ở Chương 3 với các nội dung chính thực hiện sau: - Xây dựng mô hình to n cho động co DC đồng trục dựa trên mô hình toán của động co DC và mô hình to n của động cơ 3 pha đồng trục. - Tính toán thiết kế cho động cơ DC đồng trục với một số yêu câu cho trước : xây dưng mô hình tính chung p dụng việc thiết kế động co DC (thiết kế GUI trên matlab). - Thiết kế chế tạo mô hình động cơ DC đồng trục nhỏ từ động cơ DC có sẵn và hệ thống kiểm tra mô men xoắn và tốc độ của động cơ và thu lại dữ liệu trên máy tính cho mô hình thực nghiệm nhỏ. - Kết quả của luận văn có được từ kết quả mô phỏng trên matlab, kết quả mô phỏng thiết kế động cơ trên ANSYS Maxwel va các thông số như điện trở, cảm kháng, hàng số thời gian, mô men quán tính của động cơ băng phương ph p thực nghiệm. IV ABSTRACT Base on the result from current researches and applications of many kind of coaxial motor, a DC motor with rotor and Stator can rotate in opposed directions is conducted. The first part of this thesis represents the princinple of DC machine. Functions and characteristics of rotor, Stator, commulator, winding are determined. The main content of this thesis is represented in chapter 3 and the result in the chapter 4 as following: - A mathematic model of this design is developed basing on the combination of mathematic model of DC motor and mathematic model of 3-phase coaxial motor - The foundation of mathematic model then the calculation of DC motor 35kW, 90V, 1760 rpm are shown. And the a calculation model for designing a general DC motor is built in Matlab GUI . - The real model is designed base on improving of DC motor and Torque testing system is designed with 2 coincident separated axes for experimental part. The torque system has two axes a joined by a spiral spring. The motor torque is calculated by the difference angle of 2 axes. - Experimental method is approached to determin motor parameters such as resistance, inductance, electrical time constant, and moment of ineria. - The result of this thesis comes from the Matlab, desing of motor in ANSYS Maxwell, and the result of the experimental part. Lời cam đoan của tác giả luận văn Đề tài luận văn thiết kế động cơ DC đồng trục được dựa theo yêu cầu của đơn vị đặt hàng với c c thông số cho trước. Phan cơ sở lý thuyết được trình bay dựa trên c c tài liệu nghiên cứu trước đó có trích dẫn. Phần xây dựng mô hình to n cho động cơ được chính t c giả xây dựng lên. Phan tính to n thiết kế cho động co cũng được t c giả tính to n lựa chọn c c thông số mô phỏng trên Matlab thiết kế trên ANSYS Maxwel. Phân thực nghiệm được t c giả tự thiết kế xây dựng lên. VI MỤC LỤC CHƯƠNG I_ TONG QUAN.-2- 5 SE SEEEEEEEEEEkEEkEErrerkerkerkerkee | Giới thiệu về động cơ C.1 Tống quan về động cơ đồng true . Gv 1T TT 1711 111g gu ng ng gveg 4 143 Một số giải pháp dé xuất. 4 Giai PHAP 1 occ . 4 Giai PHAP 2 wee . 5 Giai PHAP 3 wee . 5 Giai PHAP 4 wee . 5 CHUONG 2 NGUY N L DBD C TINH VA CÁC TRẠNG THAI LAM VI C C AD NG COM TCH U caeccccccessssssessescsescssesesesssscsesesssscseseescseseeecseseeaesesees 7 2.1 Nguyên lý của động cơ một chiỀu oeccecccccscesessseseeseessessesseessesstesesseeseseen 7 2.2 Cấu tao của m y điện một CiỀUU.G- 5Ÿ 6S Sk9EEEES2EEEEESEEEEkvEsrkeesrkersred 8 2.1 Stator củam y điện một CHISU veeeececescccsesccessececsesecsssesscsssecsesaesucnsseseecasenceees 8 2.6 Dây quan phan ứng. E22 2112 T1 H1 TH HT HH HT gu h 10 5.3 Phân loại động cơ điện một Chi U. S656 S3 S9ESES2EEEESEEEEkkEkeEerkereced 11 2A Kếtcẫum y dit eiecececccccccsssessesssessessessecssessssscsscssssseesesssessssssssssseesseseseseeses 12 2.1 Phân loại theo phương ph p bảo vệ m y đối với môi trường .2 Phân loại theo c ch lắp đặt. Tổng quan đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp .1 Phương trình đặc tinh CO .--- <5 <3 9n ng ng ghn 13 25.2 nh hưởng của c c thông số điện đối với đặc tính cơ .-- 14 253 Mom y (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ nói tiếp.1 Mô hình hóa hệ thống.- + 2° ©5£©5£+S£+EE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkkrrkrrkerred 17 Phương trình mô hình của động co single phase double rotor được biểu diễn : ¬—. 17 Với đông cơ DC đồng trục double-rotor sẽ là sự kết hợp của 2 trường hợp trên ¬—.2 __ Thiết kế hệ thống cho động CO veececcccceccsssssssssesssesseesesssessesseessessessessessessesseeees 23 3.1 Chọn kích thước chủ yẾ U.---2- 2< ©52 sẻ +E£EE£EEEEEE+EE£EEEEE tk cErrrrerreet 23 3.2 Kích thước rãnh phan Ứng.-- ¿22 +++£++£+Es££E£+EE+ExEvzerrrsereere 24 3. Khe hở không khí, cực từ và GON UU .24 Cổ góp, chỗi than.--- ¿2° ©22©<+SE£9E£9EE2EEESEEEEEEEEEEE21173E12 21222. 29 343 Xây dung Graphic User Interface (GUI trên Matlab) cho thiệt kế chung cho động cơ DC .-- HH Họ TT TH HH ke 30 BA Thực nghiỆm. - G- SĂ c1 199 1 vn TH ng ng ni 31 Đo c c thông số của động CO veccecceccsccessessssssssseesssssessssesssssssssscssesseesssssssssssessessseees 32 Kiểm nghiệm vận tốc torque của động cơ được thiết kế .-----5--- 36 CHƯƠNG 4 KET QU MÔ PHÒNG VÀ THỰC NGHI M.1 Kết quả mô phỏng trên Matlab simulink.---2 2 s52 52©s+zs255e+ẻ 46 42 Kết quả thiết kế động cơ một chiều 35 kW 90V 1760 vg/ph . Kết quả thực nghiệm.-- 2-2 5£ ©S£++E£EESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEELerrkrrkrrreee 53 CHƯƠNG 5 KET LUẬN .---- 6° SE9Ek9EE2EE ke EESEkEEkEESEEEEkEEkeEerkerkerkrrs 55 Phục lục 1: Thiết kế cho phần thực nghiệm .-- «5< 5< se 56 Thiết kế động cơ đồng true . ixe 57 Phan b nh đà có mô men qu ntính thay đổi .---+---- 22 5252552 58 Phần hệ thống kiểm tra tốc độ và mô men xoắn của trục .----s---sss¿ 58 Thiết kế phan điện cho động cơ đồng trục .ccceccccccesssssesseessesessseseessessessesseeseen 59 Thiết kế cho hệ thống do mô men xoắn và động cơ.--------- 59 Thiết kế phan điều khiến cho đối trọng có mô men qu ntính thay đôi . 60 Phu luc 2: Motor data Sheet P. 64 Phụ lục 3: Matlab Code .-- c5 2G 2 11309911193 1103111001 n1 01 10 ng re 70 Vill CHƯƠ G1 TO G QUA Giới thiệu về động cơ Năm 1831 Michael Fraday đã ph t minh và khảo s t hiện tượng cảm ứng điện từ. Năm 1832 Thiết bị điện quay đầu tiên được công bố bởi một người chưa rõ tên P. Năm 1834 động cơ DC đầu tiên được Moritz Jacobi chế tạo ra. Năm 1875 Hefner-Alteneck và Werner Siemens bắt dau ph t triển motor hình mỏ neo tang trông. Năm 1889 Dolivo-Dobrowolsky đã thiết kế động co 3 pha dau tiên. Thiết kế này đã được sử dụng rộng rãi cho tới ngày nay. Nửa dau thế ky 19 hau hết động cơ chạy bằng năng lượng Pin cho nên động cơ DC được tập trung ph t triên. Và sau đó động cơ đông bộ động cơ AC mới ph t triên cho tới ngày nay. Phân loại động cơ điện Phân loại động cơ điện | l \ Động cơ một chiêu (DC) Động cở xoay chiêu (AC) Ỷ Ỷ Ỷ Ỷ Kích từ độc Tự kích từ Đông Cam ứng lap bộ Nồi Hồn Song Một Ba tiệp hợp song pha pha Hình 1.1 Sơ đồ phân loại động cơ điện Động cơ điện một chiều (động cơ DC) là thiết bị chuyển từ năng lượng điện một chiều thành năng lượng cơ năng dưới t c dụng của lực điện từ. Động cơ DC có 2 phân chính là: rotor (phần chuyển động) và Stator (phần đứng yên).