Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy điện không đồng bộ ba pha, đặc biệt là loại rôto lồng sóc, giữ vai trò chủ đạo trong nền kinh tế quốc dân nhờ kết cấu đơn giản, vận hành chắc chắn, bảo dưỡng thuận tiện và giá thành sản xuất hợp lý. Theo thống kê thực tiễn được tác giả nêu trong văn bản, động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc chiếm tới 90% về số lượng và khoảng 55% về tổng công suất sử dụng trong toàn bộ hệ thống máy điện công nghiệp và dân dụng. Động cơ được ứng dụng rộng rãi từ các nguồn động lực cho máy cán thép vừa và nhỏ, máy công cụ trong nhà máy công nghiệp nhẹ, quạt gió hầm mỏ, máy bơm nông nghiệp, cho đến các thiết bị gia dụng và dân sinh. Tuy nhiên, loại máy này tồn tại những nhược điểm kỹ thuật cố hữu: hệ số công suất $\cos\varphi$ tương đối thấp gây tổn hao công suất phản kháng trên lưới điện, không vận hành hiệu quả khi non tải hoặc không tải, khó điều chỉnh tốc độ, dòng điện khởi động lớn (thường gấp 6 đến 7 lần dòng định mức) trong khi mômen khởi động ban đầu lại tương đối nhỏ. Do đó, việc tính toán và thiết kế điện từ nhằm tối ưu hóa kích thước lõi sắt, kết cấu rãnh, dây quấn và khe hở không khí là nhiệm vụ kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn quan trọng.

Đề tài "Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Sĩ Duy (ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) dưới sự hướng dẫn của ThS. Đoàn Đức Thắng.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế được xác định cụ thể trong phiếu giao đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại, ưu nhược điểm và các tiêu chuẩn chế tạo máy điện không đồng bộ.
  2. Xác định các kích thước hình học chủ yếu của động cơ dựa trên dãy tiêu chuẩn công nghiệp.
  3. Thiết kế chi tiết phần tĩnh (stato): tính toán bước cực, bước rãnh, số thanh dẫn tác dụng, số vòng dây mỗi pha, tiết diện dây quấn, quy cách rãnh quả lê và hệ số lấp đầy rãnh.
  4. Thiết kế chi tiết phần quay (rôto): lựa chọn số rãnh, xác định quy cách thanh dẫn đúc nhôm, kích thước rãnh rôto, thông số vành ngắn mạch và độ nghiêng của rãnh.
  5. Tính toán mạch từ và khe hở không khí: tính sức từ động trên từng đoạn mạch (khe hở không khí, răng và gông stato, răng và gông rôto), xác định hệ số bão hòa và dòng điện từ hóa.
  6. Xác định các tham số điện trở, điện kháng tản của động cơ ở chế độ làm việc định mức.
  7. Tính toán các thành phần tổn hao thép, tổn hao bề mặt, tổn hao đập mạch và tổn hao cơ khí lúc không tải.
  8. Xác định tham số của động cơ trong quá trình khởi động có xét đến hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện khi hệ số trượt $s = 1$.
  9. Tổng hợp kết quả thiết kế và xuất bản vẽ tổng lắp ráp động cơ trên khổ giấy A3.

Đối tượng nghiên cứu là động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc đúc nhôm, cấp bảo vệ kiểu kín IP44, cấp cách điện B (có đối chiếu cấp F theo dãy tiêu chuẩn). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phương pháp tính toán thiết kế điện từ và kết cấu mạch từ - dây quấn tĩnh học và động học mở máy. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 19/09/2022 đến ngày 03/12/2022 tại Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết về máy điện quay và quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ thông qua từ trường quay khe hở không khí, kết hợp các mô hình giải tích mạch điện thay thế và mạch từ phân đoạn. Các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định pháp lý - công nghiệp được sử dụng trực tiếp làm căn cứ tính toán bao gồm:

  • TCVN 1987-1994: Tiêu chuẩn Việt Nam quy định về dãy động cơ điện không đồng bộ công suất từ 0,55 kW đến 90 kW (ký hiệu dãy K), chế tạo theo cấp bảo vệ kiểu kín IP44.
  • TCVN 315-85: Quy định dãy công suất động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc từ 110 kW đến 1000 kW (gồm các cấp 110, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 và 1000 kW).
  • TCVN 7540:2013: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về động cơ điện không đồng bộ ba pha.
  • TCVN 8:2015: Tiêu chuẩn về trình bày và thiết lập bản vẽ kỹ thuật.
  • Hệ thống phân cấp cách điện theo Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC): Bảng phân cấp gồm các cấp Y ($90^\circ\text{C}$), A ($105^\circ\text{C}$), E ($120^\circ\text{C}$), B ($130^\circ\text{C}$), F ($155^\circ\text{C}$), H ($180^\circ\text{C}$) và C ($>180^\circ\text{C}$) nhằm đảm bảo tuổi thọ làm việc định mức từ 15 đến 20 năm.
  • Quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019 của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội: Quy định biểu mẫu "BM03" về quy cách trình bày báo cáo đồ án môn học.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp giải tích thiết kế máy điện truyền thống:

  • Sử dụng các công thức giải tích kinh điển của ngành chế tạo máy điện kết hợp phương pháp tra bảng và đường cong từ hóa vật liệu từ giáo trình chuyên ngành Thiết kế máy điện.
  • Phương pháp lập phương án so sánh hình học: đánh giá tỷ số hình dáng $\lambda = l / \tau$ (chiều dài tính toán lõi sắt trên bước cực) đối chiếu với các đồ thị thực nghiệm để xác nhận tính hợp lý của phương án kích thước.
  • Phương pháp phân tích phi tuyến: tính toán từ hóa từng phần tử mạch từ (khe hở không khí, răng, gông), xác định hệ số bão hòa răng $k_z$ và hệ số bão hòa toàn mạch $k$.
  • Phương pháp mô hình hóa thông số quá độ: phân tích hiệu ứng mặt ngoài (skin effect) của dòng điện chạy trong thanh dẫn rôto khi mở máy ($s = 1$) nhằm tính toán hệ số tăng điện trở $k_r$ và độ giảm từ dẫn tản rãnh rôto.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm các thông số cho trước trong phiếu giao đề tài, các bảng tra cứu thông số vật liệu kỹ thuật điện (thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm có phủ sơn cách điện chống dòng Foucault, dây đồng tráng men cách điện PETV, nhôm đúc thanh dẫn rôto có điện trở suất quy định, thép cacbon chế tạo trục) và các hệ số thực nghiệm tiêu chuẩn trong chế tạo thiết bị điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 : Phần mở đầu

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về máy điện không đồng bộ, phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và quy trình thiết kế công nghiệp:

  • Cấu tạo chi tiết: Phân tích stato (gồm vỏ máy bằng gang/nhôm/thép có gân tản nhiệt cho kiểu kín IP44 hoặc bề mặt nhẵn cho kiểu bảo vệ IP23; lõi sắt từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ sơn cách điện để hạn chế dòng Foucault; dây quấn bằng đồng cách điện đặt trong rãnh) và rôto (trục máy bằng thép cacbon từ 5 đến 45; lõi sắt ép trực tiếp lên trục không cần sơn cách điện vì tần số dòng điện rôto rất thấp, chỉ vài Hz; dây quấn dạng lồng sóc gồm các thanh dẫn nối tắt bởi hai vành ngắn mạch đúc liền cánh quạt làm mát). Khe hở không khí được duy trì rất nhỏ (0,1 đến 1 mm đối với máy cỡ nhỏ và vừa) nhằm hạn chế dòng từ hóa và nâng cao hệ số công suất.
  • Phân tích ưu nhược điểm và giải pháp kỹ thuật: Nêu rõ các hạn chế về dòng khởi động lớn và mômen mở máy nhỏ. Tác giả đề xuất các biện pháp khắc phục gồm: hạn chế vận hành non tải, ứng dụng rôto rãnh sâu hoặc lồng sóc kép, làm rãnh nghiêng so với tâm trục và duy trì khe hở không khí tối thiểu.
  • Quy trình và tiêu chuẩn thiết kế: Phân định rõ 5 giai đoạn chế tạo máy điện: Thiết kế điện từ (chọn kích thước chủ yếu, dây quấn, mạch từ, đặc tính làm việc và khởi động) $\to$ Thiết kế kết cấu (tính toán nhiệt, phương thức làm nguội IC 0141, bôi trơn ổ đỡ, kết cấu nắp và vỏ) $\to$ Thiết kế thi công (hệ thống bản vẽ chi tiết và lắp ráp) $\to$ Thiết kế khuôn mẫu/gá lắp $\to$ Thiết kế công nghệ.
  • Phân loại cấp cách điện và chế độ làm việc: Trình bày chi tiết bảng nhiệt độ cho phép của các cấp cách điện theo IEC và đặc điểm ứng dụng của từng loại vật liệu (sợi tẩm màng sơn, màng PET, mica, amiăng, sợi thủy tinh). Phân biệt 3 chế độ vận hành: liên tục, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại.

Chương 2: Thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha lồng sóc 11kW, 380V

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán giải tích chi tiết từ kích thước hình học đến các đặc tính điện từ và khởi động của động cơ:

  • Xác định kích thước chủ yếu: Với số đôi cực $2p = 4$, tần số $f = 50\text{ Hz}$, sơ bộ chọn chiều cao tâm trục $h = 71\text{ mm}$ (sau đó quy chuẩn $h = 160\text{ mm}$ theo dãy công suất công nghiệp tương ứng với cấp cách điện F), đường kính ngoài stato theo tiêu chuẩn $D_n = 11,6\text{ cm}$ (trong bước tính sơ bộ) và quy đổi sang kích thước lõi sắt công nghiệp $D_n = 27,2\text{ cm}$, đường kính trong stato $D = 18\text{ cm}$. Chiều dài lõi sắt stato $l_1 = l_2 = l_\delta = 11\text{ cm}$ (đoạn tính sơ bộ lấy $7,2\text{ cm}$), bước cực từ $\tau = 14,14\text{ cm}$, hệ số hình dáng $\lambda = l / \tau = 0,395$ thỏa mãn miền giá trị tối ưu trên đường cong thiết kế máy điện.
  • Thiết kế Stato: Dòng điện pha định mức $I_{1đm} = 21,9\text{ A}$. Số rãnh mỗi pha dưới một cực chọn $q_1 = 4$, suy ra tổng số rãnh stato $Z_1 = 48$. Số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh tính được $u_r = 17,8$, chọn số nguyên $u_r = 18$ thanh dẫn. Mật độ dòng điện chọn $J_1 = 5,5\text{ A/mm}^2$ (với tải đường $A = 330\text{ A/cm}$, tích số $AJ = 1820\text{ A/cm}\cdot\text{A/mm}^2$). Tiết diện dây dẫn stato sơ bộ $S_1 = 1,9\text{ mm}^2$, lựa chọn dây đồng tráng men PETV có đường kính trần/có cách điện $d / d_{cđ} = 1,6 / 1,685\text{ mm}$, tiết diện thực $S_1 = 2,011\text{ mm}^2$, số sợi ghép song song $n_1 = 2$, số nhánh song song $a_1 = 1$. Dây quấn thuộc kiểu hai lớp bước ngắn với bước bối dây $y = 10$, bước cực $\tau = 12$ rãnh, tỷ số rút ngắn bước quấn $\beta = y/\tau = 10/12 = 0,833$. Hệ số bước ngắn $k_y = \sin(\pi \cdot 0,833 / 2) = 0,966$, hệ số quấn rải $k_r = 0,958$, hệ số dây quấn stato $k_{dq1} = 0,925$. Rãnh stato thiết kế dạng hình quả lê có miệng rãnh $b_{41} = 3,2\text{ mm}$, chiều cao rãnh $h_{r1} = 23\text{ mm}$, chiều cao răng $h_{z1} = 22,5\text{ mm}$, bề rộng rãnh đáy nhỏ $d_1 = 7,3\text{ mm}$, bề rộng đáy lớn $d_2 = 9\text{ mm}$. Hệ số lấp đầy rãnh đạt $k_d = 0,738$ (thỏa mãn tiêu chuẩn kỹ thuật $k_d \le 0,75$). Chiều rộng răng stato $b'{z1} = 0,5\text{ cm}$, chiều cao gông stato $h{g1} = 2,45\text{ cm}$.
  • Thiết kế lõi sắt Rôto: Nhằm hạn chế mômen phụ đồng bộ, không đồng bộ, rung và tiếng ồn, số rãnh rôto được chọn $Z_2 = 40$ rãnh (tương ứng với $Z_1 = 48$). Đường kính ngoài rôto $D' = 17,9\text{ cm} = 179\text{ mm}$, đường kính trục rôto $D_t = 5,4\text{ cm}$. Dòng điện trong thanh dẫn rôto $I_{td} = 394\text{ A}$, dòng điện trong vòng ngắn mạch $I_v = 1259\text{ A}$. Mật độ dòng điện thanh dẫn chọn $J_{td} = 3\text{ A/mm}^2 \implies$ tiết diện thanh dẫn nhôm $S'{td} = 131,3\text{ mm}^2$. Mật độ dòng điện vành ngắn mạch $J_v = 2,4\text{ A/mm}^2 \implies$ tiết diện vành ngắn mạch $S_v = 524,6\text{ mm}^2$. Rãnh rôto thiết kế dạng quả lê sâu với chiều cao rãnh $h{r2} = 20\text{ mm}$, miệng rãnh $b_{42} = 1\text{ mm}, h_{42} = 0,5\text{ mm}$, đường kính đáy lớn $d_1 = 7,2\text{ mm}$, đáy nhỏ $d_2 = 5,1\text{ mm}$. Kích thước tiết diện vành ngắn mạch: chiều cao $a = 24\text{ mm}$, chiều rộng $b = 18\text{ mm}$, đường kính trung bình vành $D_v = 154\text{ mm}$. Chiều rộng răng rôto chỗ rộng nhất $b'{z2} = 0,65\text{ cm}$, chỗ hẹp nhất $b''{z2} = 0,621\text{ cm}$, chiều cao gông rôto $h_{g2} = 4,34\text{ cm}$. Rãnh rôto được làm nghiêng một góc bằng một bước rãnh stato $b_n = t_1 = 1,178\text{ cm}$ để triệt tiêu sóng bậc cao.
  • Khe hở không khí và tính toán mạch từ: Khe hở không khí hướng kính tính theo công thức thực nghiệm: $\delta = 0,25 + D/1000 = 0,25 + 0,18 = 0,43\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $\delta = 0,5\text{ mm}$. Mật độ từ thông khe hở $B_\delta = 0,73\text{ T}$ (trong phần tính mạch từ lấy $0,92\text{ T}$). Tính toán chi tiết sức từ động trên từng đoạn:
    • Sức từ động khe hở không khí: $F_\delta = 1022,74\text{ A}$.
    • Mật độ từ thông và cường độ từ trường răng stato: $B_{z1} = 1,75\text{ T} \implies H_{z1} = 22,2\text{ A/cm}$, sức từ động $F_{z1} = 59,94\text{ A}$.
    • Mật độ từ thông và cường độ từ trường răng rôto: $H_{z2} = 19,4\text{ A/cm}$, sức từ động $F_{z2} = 51,6\text{ A}$.
    • Hệ số bão hòa răng: $k_z = (F_\delta + F_{z1} + F_{z2}) / F_\delta = 1,1$.
    • Sức từ động gông stato: $H_{g1} = 10\text{ A/cm}$, chiều dài mạch từ $L_{g1} = 15,77\text{ cm} \implies F_{g1} = 157,7\text{ A}$.
    • Sức từ động gông rôto: $H_{g2} = 2,6\text{ A/cm} \implies F_{g2} = 16,8\text{ A}$.
    • Tổng sức từ động toàn mạch từ: $F_\Sigma = 1022,74 + 59,94 + 51,6 + 157,7 + 16,8 = 1308,78\text{ A}$.
    • Hệ số bão hòa toàn mạch: $k = F_\Sigma / F_\delta = 1,27$.
    • Dòng điện từ hóa tính được: $I_\mu = 7,12\text{ A}$, tương đương $I_\mu% = 47,43% I_{đm}$.
  • Tham số động cơ ở chế độ định mức:
    • Chiều dài phần đầu nối stato $l_{đ1} = 30,08\text{ cm}$, chiều dài trung bình nửa vòng dây $l_{tb} = 40,08\text{ cm}$. Điện trở tác dụng stato quy về đơn vị tương đối: $r_1^* = 0,5$.
    • Điện trở rôto quy đổi: $r'_2 = 0,27\ \Omega$, theo đơn vị tương đối $r_2^* = 0,92$.
    • Hệ số từ dẫn tản stato: gồm tản rãnh $\lambda_{r1} = 0,49$, tản tạp $\lambda_{t1} = 2,23$, tản đầu nối $\lambda_{đ1} = 1,61 \implies \Sigma\lambda_1 = 4,33$. Điện kháng tản dây quấn stato $x_1^* = 0,12$.
    • Hệ số từ dẫn tản rôto: gồm tản rãnh $\lambda_{r2} = 3,47$, tản tạp $\lambda_{t2} = 1,62$, tản đầu nối $\lambda_{đ2} = 0,44$, tản do rãnh nghiêng $\lambda_{rn} = 0,32 \implies \Sigma\lambda_2 = 5,85$. Điện kháng rôto quy đổi $x'_2 = 3,4\ \Omega$, theo đơn vị tương đối $x_2'^* = 0,23$.
    • Điện kháng hỗ cảm: $x_{12} = 2,79\ \Omega$ ($x_{12}^* = 0,19$), hệ số $k_E = 0,6$.
  • Tổn hao thép và tổn hao cơ:
    • Trọng lượng răng stato $G_{z1} = 2,8\text{ kg}$, trọng lượng gông stato $G_{g1} = 17,94\text{ kg}$.
    • Tổn hao sắt răng stato $P_{FeZ1} = 0,015\text{ kW}$, gông stato $P_{Feg1} = 0,717\text{ kW}$, tổn hao cơ bản trong lõi sắt stato $P_{Fe1} = 0,195\text{ kW}$.
    • Tổn hao bề mặt trên răng rôto $P_{bm} = 0,026\text{ kW}$, tổn hao đập mạch trên răng rôto $P_{đm} = 0,03\text{ kW}$.
    • Tổng tổn hao trong thép khi không tải: $P_{Fe} = 0,03 + 0,026 + 0,195 = 0,251\text{ kW}$.
    • Tổn hao cơ học $P_{cơ}$ được xác định ở tốc độ định mức $n = 1500\text{ vòng/phút}$.
  • Tham số khi khởi động (xét hiệu ứng mặt ngoài khi $s = 1$):
    • Tần số dòng điện rôto cao lúc mở máy làm dòng tập trung về phía miệng rãnh. Chiều cao tính toán tương đối của thanh dẫn nhôm tính được $\xi = 0,96$.
    • Tra đường cong thực nghiệm được $\psi = 0,06$ và $\varphi = 0,3$. Hệ số tăng điện trở do hiệu ứng mặt ngoài: $k_r = 1 + \varphi = 1,3$.
    • Điện trở tác dụng quy đổi của rôto khi khởi động tăng lên: $r'_{2\xi} = 0,47\ \Omega$, góp phần nâng cao mômen mở máy ban đầu cho động cơ.

Chương 3: Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của đề tài

Chương 3 tổng kết các kết quả tính toán điện từ thu được đối chiếu với nhiệm vụ thiết kế ban đầu, khẳng định tính khả thi của các kích thước lõi sắt và thông số dây quấn đã xác định. Tác giả kiến nghị việc áp dụng đầy đủ các chỉ dẫn tiêu chuẩn TCVN 8:2015 trong việc hoàn thiện 01 bản vẽ tổng lắp ráp động cơ khổ A3 và định hướng nghiên cứu sâu hơn về công nghệ khuôn dập định hình lá thép, kiểm tra nghiệm thu nhiệt và rung động cơ khí trên mẫu chế tạo thử nghiệm.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ chu trình tính toán giải tích mạch từ, dây quấn và các tham số kỹ thuật chính cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Các kết quả số liệu định lượng được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Quy cách Giá trị tính toán Đơn vị
Đường kính ngoài stato $D_n$ 27,2 cm
Đường kính trong stato $D$ 18,0 cm
Chiều dài tính toán lõi sắt $l$ 11,0 cm
Bước cực từ stato $\tau$ 14,14 cm
Tỷ số hình dáng lõi sắt $\lambda = l / \tau$ 0,395 -
Số rãnh stato / Số rãnh rôto $Z_1 / Z_2$ 48 / 40 rãnh
Số thanh dẫn trong một rãnh stato $u_r$ 18 thanh
Quy cách dây quấn stato PETV ($d / d_{cđ}$) 1,6 / 1,685 mm
Hệ số bước ngắn / Hệ số dây quấn $k_y / k_{dq1}$ 0,966 / 0,925 -
Hệ số lấp đầy rãnh stato $k_d$ 0,738 -
Khe hở không khí $\delta$ 0,5 mm
Sức từ động khe hở không khí $F_\delta$ 1022,74 A
Tổng sức từ động toàn mạch từ $F_\Sigma$ 1308,78 A
Hệ số bão hòa răng / Toàn mạch $k_z / k$ 1,10 / 1,27 -
Dòng điện từ hóa / Tỷ lệ phần trăm $I_\mu / I_\mu%$ 7,12 / 47,43 A / %
Điện trở rôto quy đổi ở chế độ định mức $r'_2$ 0,27 $\Omega$
Điện kháng tản stato / rôto quy đổi $x_1 / x'_2$ 1,84 / 3,40 $\Omega$
Tổng tổn hao thép lúc không tải $P_{Fe}$ 0,251 kW
Hệ số tăng điện trở mặt ngoài ($s=1$) $k_r$ 1,30 -
Điện trở rôto quy đổi khi khởi động $r'_{2\xi}$ 0,47 $\Omega$

Các giải pháp và đóng góp kỹ thuật chính do tác giả đề xuất và thực hiện bao gồm:

  • Tối ưu hóa hình học rãnh và triệt tiêu sóng bậc cao: Lựa chọn bước bối dây rút ngắn $y = 10$ ($\beta = 0,833$) kết hợp tỷ số phối hợp rãnh $Z_1 = 48$ và $Z_2 = 40$ cùng độ nghiêng rãnh rôto đúng bằng một bước răng stato ($b_n = 1,178\text{ cm}$). Giải pháp này làm giảm đáng kể biên độ các sóng điều hòa bậc cao (bậc 3, 5, 7), hạn chế phát nóng cục bộ, giảm thiểu tổn hao đập mạch và chống rung ồn cơ - điện từ.
  • Kiểm soát bão hòa và lấp đầy rãnh: Thiết kế kết cấu rãnh stato hình quả lê giúp hệ số lấp đầy rãnh đạt $k_d = 0,738$, nằm trong ngưỡng an toàn công nghệ ($< 0,75$), vừa đảm bảo độ bền cơ học khi lồng dây vừa tối ưu hóa diện tích tác dụng của đồng. Hệ số bão hòa toàn mạch duy trì ở mức $k = 1,27$, đảm bảo mạch từ làm việc trong vùng kinh tế, tránh hiện tượng quá bão hòa gây tăng dòng không tải.
  • Tận dụng hiệu ứng mặt ngoài khi khởi động: Sử dụng kết cấu rãnh rôto quả lê sâu ($h_{r2} = 20\text{ mm}$), làm cho điện trở thanh dẫn tăng 1,3 lần khi mở máy ($s = 1$), đưa điện trở rôto quy đổi từ $0,27\ \Omega$ lên $0,47\ \Omega$, qua đó trực tiếp cải thiện mômen khởi động và ghìm bớt đỉnh dòng điện mở máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, toàn bộ các kết quả trong đồ án mới dừng lại ở mô hình tính toán giải tích lý thuyết và tra cứu bảng thực nghiệm tĩnh, chưa tiến hành mô phỏng số trường điện từ (như phương pháp phần tử hữu hạn FEM) để kiểm chứng sự phân bố cục bộ của từ cảm tại các góc răng và miệng rãnh. Ngoài ra, văn bản chưa triển khai phần tính toán kiểm nghiệm nhiệt chi tiết (độ tăng nhiệt của cuộn dây stato và không khí trong vỏ kín IP44) cũng như kiểm nghiệm độ bền cơ học trục động cơ chịu lực uốn và mômen xoắn cực đại. Trong văn bản có sự đan xen số liệu giữa yêu cầu ban đầu của phiếu giao ($8,5\text{ kW}$) và các bảng tra cứu dãy động cơ mẫu ($11\text{ kW}$).

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài được xác định bao gồm:

  • Triển khai tính toán nhiệt chi tiết theo chế độ làm mát kín ngoài IC 0141, xác định trường nhiệt độ vỏ máy và cuộn dây.
  • Hoàn thiện hệ thống hồ sơ bản vẽ thi công và bản vẽ lắp ráp tổng thể khổ A3 theo tiêu chuẩn TCVN 8:2015.
  • Ứng dụng công cụ mô phỏng số để tối ưu hóa biên dạng rãnh stato/rôto, hướng tới việc giảm thiểu vật liệu thép và đồng nhưng vẫn đảm bảo cấp hiệu suất năng lượng theo TCVN 7540:2013.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện - Điện tử, Thiết bị điện và Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế thiết bị điện hoặc đồ án tốt nghiệp về máy điện quay. Cụ thể:

  • Các kỹ sư và sinh viên có thể tham khảo trực tiếp quy trình từng bước tính toán kích thước rãnh quả lê stato và rôto, cách xác định hệ số lấp đầy rãnh $k_d$ và hệ số từ dẫn tản phức hợp (tản rãnh, tản tạp, tản đầu nối và tản rãnh nghiêng).
  • Phần tính toán mạch từ phân đoạn (sức từ động khe hở, răng, gông) và phương pháp xác định tham số mở máy xét hiệu ứng mặt ngoài là biểu mẫu mẫu mực về phương pháp luận tính toán giải tích máy điện không đồng bộ ba pha.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ được thiết kế sử dụng cấp bảo vệ vỏ máy và cấp cách điện nào?
Động cơ được thiết kế theo cấp bảo vệ kiểu kín IP44 (làm mát bằng cánh quạt ngoài vỏ máy thổi dọc thân có gân tản nhiệt) và cấp cách điện B theo tiêu chuẩn IEC (nhiệt độ cho phép tối đa $130^\circ\text{C}$, độ gia tăng nhiệt giới hạn $75^\circ\text{C}$).

2. Giải pháp nào được tác giả sử dụng để triệt tiêu ảnh hưởng tiêu cực của sóng bậc cao?
Tác giả phối hợp ba giải pháp kỹ thuật đồng thời: sử dụng dây quấn stato hai lớp bước ngắn với bước bối dây rút ngắn $y = 10$ ($\tau = 12, \beta = 0,833$); lựa chọn số rãnh stato và rôto tương thích ($Z_1 = 48, Z_2 = 40$); và tạo độ nghiêng cho rãnh rôto bằng một bước rãnh stato ($b_n = t_1 = 1,178\text{ cm}$).

3. Hệ số lấp đầy rãnh stato $k_d$ tính được là bao nhiêu và có đạt tiêu chuẩn công nghệ không?
Hệ số lấp đầy rãnh stato tính toán được là $k_d = 0,738$. Giá trị này hoàn toàn đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra ($k_d \le 0,75$), đảm bảo việc lồng các thanh dẫn và lớp cách điện rãnh diễn ra thuận lợi mà không làm hỏng lớp sơn men PETV của dây.

4. Tổng sức từ động toàn mạch từ $F_\Sigma$ và dòng điện từ hóa $I_\mu$ của động cơ đạt bao nhiêu?
Tổng sức từ động toàn mạch từ là $F_\Sigma = 1308,78\text{ A}$ (trong đó sức từ động khe hở không khí chiếm chủ đạo với $F_\delta = 1022,74\text{ A}$, răng stato $F_{z1} = 59,94\text{ A}$, răng rôto $F_{z2} = 51,6\text{ A}$, gông stato $F_{g1} = 157,7\text{ A}$, gông rôto $F_{g2} = 16,8\text{ A}$). Dòng điện từ hóa tính được là $I_\mu = 7,12\text{ A}$, chiếm tỷ lệ $47,43%$ dòng điện định mức.

5. Hiệu ứng mặt ngoài ảnh hưởng như thế nào đến tham số rôto khi khởi động ($s = 1$)?
Khi mở máy với hệ số trượt $s = 1$, tần số dòng rôto bằng tần số lưới ($50\text{ Hz}$), dòng điện tập trung ở phía trên rãnh làm chiều cao tính toán tương đối đạt $\xi = 0,96$. Điều này làm tăng điện trở thanh dẫn lên $k_r = 1,3$ lần, dẫn tới điện trở tác dụng quy đổi của rôto tăng từ giá trị định mức $0,27\ \Omega$ lên $0,47\ \Omega$, giúp cải thiện trực tiếp mômen khởi động của động cơ.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Nguyễn Sĩ Duy đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế điện từ cho động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc dựa trên hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế hiện hành. Toàn bộ chu trình từ xác định kích thước chủ yếu, thiết kế rãnh dây stato - rôto, tính toán mạch từ, tổn hao cho đến các tham số khởi động đều được giải quyết mạch lạc qua phương pháp giải tích kỹ thuật chuẩn xác. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao và cấu trúc rõ ràng cho hoạt động học tập, nghiên cứu thiết kế máy điện trong các cơ sở đào tạo kỹ thuật.