Tổng quan luận án

Tên luận án: Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Tác giả: Nguyễn Đức Bắc

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện (Mã số: 9520201)

Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thế Công và TS. Trần Tuấn Vũ

Năm bảo vệ: 2021

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0 gắn liền với nhu cầu ngày càng tăng về các hệ thống điều khiển chính xác. Các nhà máy sản xuất thông minh, tự động với thiết bị hiện đại như CNC, robot đang thay thế dần phương thức vận hành cũ, kéo theo nhu cầu sử dụng động cơ servo trong điều khiển truyền động ngày càng phát triển. Hệ thống servo tích hợp động cơ với bộ điều khiển đặc biệt cần thiết trong sản xuất hiện đại, cho phép thực hiện ba loại điều khiển: vị trí, mômen và tốc độ, hoặc kết hợp các cơ chế điều khiển này.

Tác giả xác định khoảng trống nghiên cứu cụ thể: ở Việt Nam, lĩnh vực sản xuất động cơ điện chủ yếu sản xuất động cơ không đồng bộ với tốc độ tối đa 3.000 vòng/phút, trong khi động cơ servo chưa được nghiên cứu và sản xuất hoàn chỉnh. Bên cạnh đó, các nghiên cứu quốc tế về tối ưu hóa đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc còn ít, các bài toán tối ưu chủ yếu xử lý các mục tiêu riêng biệt như giảm khối lượng hoặc tăng hiệu suất. Chưa có nghiên cứu sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu cho loại động cơ này kết hợp với mô hình hóa mẫu thử ảo để giảm thời gian tính toán và các vòng lặp chế tạo mẫu.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha trên cơ sở tối ưu các thông số kết cấu và điều khiển trong quá trình hoạt động của động cơ. Cụ thể, luận án hướng tới ba kết quả dự kiến:

  1. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu ngay từ bước mô hình, áp dụng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha.
  2. Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha; kết quả tối ưu được thể hiện trên phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto.
  3. Xây dựng mô hình mẫu thử ảo thông qua mô phỏng nhiệt - điện từ, thử nghiệm mẫu thử động cơ servo không đồng bộ 3 pha.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.

Phạm vi:

  • Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
  • Nghiên cứu xây dựng mô hình mẫu thử ảo.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Tác giả điểm lại hai nhóm nghiên cứu chính trong tài liệu quốc tế:

Nhóm 1 — Phát triển mô hình hóa đa vật lý kết hợp phân tích phần tử hữu hạn:

  • A. Basu, SA. Moosavian, R. Morandini (2005) tối ưu động cơ servo nam châm vĩnh cửu bằng cách tối ưu hóa kích thước và hình dạng nam châm, phân tích các loại hình dạng và vị trí nam châm để đạt mômen xoắn cao nhất, có thử nghiệm mẫu thử xác nhận kết quả.
  • Jean Le Besnerais, Vincent Lanfranchi, Michel Hecquet, Raphael Romary, Pascal Brochet (2009) trình bày lựa chọn tối ưu độ mở miệng rãnh stator và rotor trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc để giảm tiếng ồn tạo ra bởi sóng hài.
  • Pil-Wan Han, Jae-Hak Choi, Dong-Jun Kim, Yon-Do Chun, Deok-Je Bang (2015) phân tích điện từ và nhiệt cho động cơ không đồng bộ tốc độ cao (12.000 vòng/phút) sử dụng phần tử hữu hạn cho điện từ và sơ đồ mạch thay thế cho phân tích nhiệt.
  • Ji-Young Lee, Byung-Chul Woo, Jong-Moo Kim, Hong-Seok Oh (2017) cung cấp thiết kế tối ưu cho động cơ bánh xe bằng phương pháp FEA-2D để phân tích điện từ trường trong quá trình thiết kế.
  • Orellano và Erich Schmidt (2016) trình bày phương pháp tối ưu động cơ không đồng bộ kết hợp điện từ - nhiệt sử dụng FEA cho bộ truyền động lực kéo công suất lớn, xác lập phân bổ Pareto theo dòng điện từ hóa và nhiệt độ.

Nhóm 2 — Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán tối ưu:

  • Svante Andersson (2000) tối ưu hóa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sáu cực bằng thuật toán SQP, hàm mục tiêu là giảm chi phí vật liệu, kiểm nghiệm bằng FEA và mẫu thử.
  • Staton (2001) nghiên cứu giảm kích thước động cơ servo nam châm vĩnh cửu sử dụng mô phỏng Motor-CAD để đảm bảo độ tăng nhiệt cho phép tương ứng với cấp cách điện.
  • Mehmet Çunkaş, Ramazan Akkaya (2006) thiết kế tối ưu động cơ 3 pha rotor lồng sóc dùng thuật toán di truyền (GA) với ba hàm mục tiêu đơn lẻ riêng biệt: cực đại mômen, tối thiểu chi phí, tối đa hiệu suất.
  • Damir Zarko, Drago Ban, Davor Gooricki (2009) cải tiến thiết kế động cơ servo AC đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng FEA, tối ưu phần nam châm và kích thước rotor bằng thuật toán tiến hóa khác biệt (DE).
  • Fodorean, D. (2013) sử dụng thuật toán PSO để thiết kế tối ưu động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM với mục tiêu tối đa hóa công suất đầu ra trong khi yêu cầu khối lượng tối thiểu, kiểm nghiệm bằng FEA và thực nghiệm.
  • Centner (2014) sử dụng thuật toán NSGA II để tối ưu đa mục tiêu với hàm mục tiêu cực tiểu chi phí và cực đại hiệu suất, đưa ra phân bổ Pareto.
  • Stjepan Stipetic, Werner Miebach, Damir Zarko (2015) tổng quan các quy trình và thuật toán tối ưu hóa như PSO, GA trong thiết kế máy điện.
  • Xiaoyu Liu, Qifang Lin và Weinong Fu (2017) trình bày mô hình chung của sự sắp xếp nam châm, kết hợp PSO và thuật toán NSGA-II để tối ưu đa mục tiêu.
  • Yao Duan, Ronald G. Harley (2011) đưa ra thiết kế và tối ưu hóa động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán PSO với hàm mục tiêu hiệu suất, kết quả xác minh bằng FEA.
  • Abbas Shiri, Abbas Shoulaie (2012) đề xuất quy trình thiết kế tối ưu động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán di truyền.
  • Devarajan (2012) tối ưu hiệu suất động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc dùng thuật toán GA với các biến như kích thước dây dẫn, mật độ dòng stator, mật độ từ thông khe hở không khí.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Từ tổng quan tài liệu, tác giả xác định: các nghiên cứu chưa sử dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu đồng thời cực đại mômen và cực tiểu khối lượng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, kết hợp mô hình hóa mẫu thử ảo nhiệt - điện từ để giảm thời gian tính toán và các vòng lặp chế tạo mẫu tốn kém.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích

Luận án sử dụng các nền tảng lý thuyết sau:

  • Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu và phân bổ Pareto: Bài toán tối ưu đa mục tiêu không dẫn đến một giải pháp toàn cục duy nhất. Tập hợp các giải pháp tối ưu được gọi là phân bổ tối ưu Pareto, trong đó điểm x* là tối ưu Pareto khi và chỉ khi không tồn tại điểm khác x sao cho f(x) ≤ f(x*) và fi(x) < fi(x*) cho ít nhất một hàm mục tiêu.
  • Thuật toán Quy hoạch đa thức bậc 2 (SQP — Sequential Quadratic Programming): Phương pháp lặp theo đạo hàm, có nguồn gốc từ Wilson (1963), phổ biến bởi Han (1977) và Powell (1978). Thuật toán giải quyết bài toán phi tuyến có ràng buộc thông qua hàm Lagrangian và xấp xỉ ma trận Hessian bằng phương pháp BFGS. Triển khai thông qua hàm fmincon thuộc Optimization Toolbox của Matlab.
  • Phương pháp ε-constraint: Chuyển một hàm mục tiêu thành ràng buộc bổ sung để biến bài toán đa mục tiêu thành đơn mục tiêu, tạo biên giới Pareto phân bố đều bằng cách thay đổi có hệ thống giá trị ε.
  • Lý thuyết nghiêng rãnh rotor: Từ thông khe hở không khí được phân tích dưới dạng chuỗi Fourier; các sóng hài bậc lẻ (3, 5, 7, 9, 11, …) gây rung, tiếng ồn và tổn hao. Phương pháp nghiêng rãnh rotor giảm thiểu các sóng hài này. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn rotor nghiêng được tính theo công thức phụ thuộc vào mật độ từ thông Bm, chiều dài rotor L, vận tốc tiếp tuyến rotor v, bước cực τ và khoảng cách ξ giữa điểm đầu và điểm cuối của thanh rotor.
  • Lý thuyết truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ: Phân tích độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện, tản nhiệt trên bề mặt, hằng số phát nóng T, nhiệt bão hòa θ∞. Mô hình nhiệt sử dụng các nhiệt trở thành phần (Rcd, RFe, RCu) và hệ số tản nhiệt bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu định lượng, kết hợp lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Tối ưu hóa giải tích trong Matlab: Xây dựng mô hình giải tích động cơ servo không đồng bộ 3 pha trong Matlab với hai hàm mục tiêu (cực tiểu khối lượng điện từ, cực đại mômen cực đại), bốn biến thiết kế (D, L, U, f₂) và năm ràng buộc (công suất, dòng điện, mật độ dòng điện, hệ số lấp đầy, điện áp). Áp dụng thuật toán SQP kết hợp ε-constraint với các bước nhảy ɛi = [12 : 0,5 : 19].
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA): Sử dụng phần mềm ANSYS Electronics để mô phỏng trường điện từ 2D và 3D, kiểm nghiệm kết quả thiết kế tối ưu. Phần mềm tự động tạo và chia lưới để giải bài toán theo phương pháp FEA.
  • Mô phỏng nhiệt: Mô phỏng nhiệt động cơ tại các chế độ làm việc liên tục và ngắn hạn, ở các điểm tốc độ khác nhau, so sánh kết quả với mô hình nhiệt giải tích.
  • Thực nghiệm trên hệ thống đo test-bench: Chế tạo mẫu thử, đo các thông số mômen, dòng điện, nhiệt độ tại nhiều điểm hoạt động; so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Vật liệu sử dụng trong thiết kế: thép M800-50A cho mạch từ, dây dẫn đồng cho dây quấn stator, nhôm cho lồng sóc rotor. Dữ liệu đầu vào thiết kế được xây dựng từ các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của ứng dụng servo (công suất, điện áp, dòng điện, tốc độ).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày phân loại động cơ servo thành ba nhóm: động cơ servo một chiều, động cơ servo xoay chiều (bao gồm đồng bộ và không đồng bộ) và động cơ bước. Các chế độ làm việc của động cơ được phân thành 9 loại từ S1 đến S9 theo tiêu chí liên tục, thời gian làm việc ngắn hạn và theo chu kỳ, được hệ thống hóa trong Bảng 1. Chương nêu rõ sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường: động cơ servo hoạt động trong dải tốc độ rộng với hai vùng đặc tính — cực đại và liên tục — thay vì chỉ một điểm định mức.

Phần điểm lại tài liệu xác định kết luận: các nghiên cứu tối ưu đối với động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc chưa nhiều; chưa có nghiên cứu kết hợp tối ưu đa mục tiêu với mô hình hóa mẫu thử ảo cho loại động cơ này. Từ đó tác giả đề xuất bốn bước tiến hành: (1) thiết kế tối ưu hai mục tiêu, xác định phân bổ Pareto; (2) kiểm nghiệm bằng FEA; (3) mô phỏng nhiệt; (4) sản xuất mẫu thử, đo đạc, so sánh kết quả.

Chương 2: Thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha

Chương 2 xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo xoay chiều 3 pha với các thông số kỹ thuật yêu cầu: công suất cực đại 1 HP (750W) trong dải tốc độ [500 : 1.000] vòng/phút; công suất liên tục 0,5HP (375W); dòng điện cực đại ≤ 3 A; điện áp dây cực đại ≤ 380V; tốc độ lớn nhất 3.500 vòng/phút; làm mát tự nhiên; chi phí sản xuất thấp nhất.

Hai hàm mục tiêu mâu thuẫn nhau được chọn:

  • Tối thiểu hóa khối lượng điện từ động cơ servo: W_electrom = f(D, L, U, f₂)
  • Tối đa hóa mômen cực đại: Tm = f(D, L, U, f₂)

Bốn biến thiết kế: D ∈ [40 – 150] mm, L ∈ [30 – 180] mm, U ∈ [70 – 380] V, f₂ ∈ [1 – 25] Hz. Năm ràng buộc bao gồm công suất cực đại 750W tại 1.000 vòng/phút, dòng điện cực đại ≤ 3 A, mật độ dòng điện cực đại ≤ 9 A/mm², hệ số lấp đầy ≤ 75%, điện áp dây ≤ 380V.

Thuật toán SQP được kiểm chứng qua ví dụ số: với điểm ban đầu x₀ = [2 3]ᵀ, sau 5 vòng lặp hàm mục tiêu f₁(x) hội tụ từ 30 xuống 15,4668 với ràng buộc g₁(x) hội tụ về 3,76×10⁻⁹.

Kết quả phân bổ tối ưu Pareto được xây dựng với các bước nhảy ɛi = [12 : 0,5 : 19]. Điểm lựa chọn thiết kế tối ưu (ký hiệu ♦ trên đồ thị Pareto) là động cơ có mômen cực đại 15 N.m với khối lượng điện từ tối thiểu 9,52 kg.

Bảng so sánh thiết kế tối ưu và thiết kế không tối ưu:

Thông số Đơn vị Thiết kế tối ưu Thiết kế không tối ưu
Mômen cực đại N.m 15 15,1
Khối lượng phần điện từ kg 9,52 12,4
Khối lượng rotor kg 2,8 3,9
Đường kính ngoài/trong stator mm 140,4 / 83,2 154 / 91,3
Số rãnh stator/rotor — 36 / 48 36 / 48
Số cực — 6 6
Chiều dài mạch từ mm 90,1 99,2
Số vòng dây quấn trong 1 rãnh — 105 94
Điện áp dây đặt vào V 360 380
Mật độ dòng điện stator A/mm² 9 9
Dòng điện stator A 2,99 3

Phần mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng ANSYS Electronics để so sánh rãnh nghiêng và rãnh thẳng. Kết quả mô phỏng FEA 2D tại 500 vòng/phút: mômen trung bình với rãnh nghiêng đạt 14,66 N.m, dao động mômen 0,8 N.m (dòng điện 2,98 A); với rãnh thẳng dao động mômen cực đại là 1,6 N.m. Dao động mômen giảm 50% trong khi mômen trung bình chỉ giảm 2,3%. Kết quả này xác nhận lựa chọn nghiêng 1 rãnh rotor (góc 7,5°) cho thiết kế tối ưu, vì tại góc này độ nhấp nhô mômen giảm nhiều trong khi mômen trung bình giảm không đáng kể.

Chương 3: Mô phỏng nhiệt động cơ servo

Chương 3 phân tích nhiệt động cơ qua các chế độ làm việc liên tục và ngắn hạn. Mô hình nhiệt sử dụng các nhiệt trở thành phần: nhiệt trở cách điện (Rcd), nhiệt trở bề mặt lõi sắt (RFe) và nhiệt trở bề mặt phần đầu nối (RCu). Các cấp cách điện có nhiệt độ giới hạn tương ứng được đối chiếu theo bảng tiêu chuẩn. Hệ số tản nhiệt bề mặt ở môi trường tĩnh được xác định theo bảng tra. Kết quả tính toán độ tăng nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định được so sánh với kết quả mô phỏng FEA nhiệt.

Mô phỏng nhiệt thực hiện tại các điểm: chế độ làm việc liên tục và ngắn hạn, với hai phương án nắp kín và nắp hở. Mật độ dòng điện liên tục được chọn J = 4,5 A/mm² (phương thức làm mát tự nhiên, theo bảng tra phạm vi 1,5 – 5 A/mm²). Kết quả mô phỏng cung cấp nhiệt độ bão hòa của một số bộ phận động cơ.

Kết quả phân tích nhiệt làm cơ sở lựa chọn phương thức làm mát tự nhiên cho thiết kế, đảm bảo động cơ vừa tối thiểu hóa khối lượng vừa đảm bảo mômen cực đại.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 4 trình bày kết quả chế tạo và thử nghiệm mẫu thử. Mô hình 3D được xây dựng gồm stator 3D, rotor 3D (rotor rãnh nghiêng) và lắp ráp toàn bộ. Mẫu thử được thử nghiệm trên hệ thống đo test-bench theo sơ đồ khối mô hình thử nghiệm.

Kết quả đo mômen và dòng điện tại các điểm hoạt động:

Điều kiện Mômen (N.m) Dòng điện stator Ghi chú
n = 500 rpm, U = 340V Theo đặc tính đo Theo đặc tính đo Chế độ ngắn hạn
n = 500 rpm, U = 360V, f = 32 Hz Theo kết quả thử nghiệm Theo kết quả thử nghiệm Chế độ ngắn hạn
n = 700 rpm, U = 350V Theo đặc tính đo Theo đặc tính đo —
n = 700 rpm, U = 380V, f = 46 Hz Theo kết quả thử nghiệm Theo kết quả thử nghiệm Chế độ ngắn hạn
n = 700 rpm, U = 300V, f = 38,6 Hz Theo kết quả thử nghiệm Theo kết quả thử nghiệm Chế độ liên tục
n = 1000 rpm, U = 380V, f = 54,4 Hz Theo kết quả thử nghiệm Theo kết quả thử nghiệm Chế độ liên tục

Kết quả đo nhiệt được so sánh với mô phỏng tại ba điểm tốc độ (500 rpm chế độ ngắn hạn; 700 rpm chế độ liên tục; 1.000 rpm chế độ liên tục). Đặc tính mômen – tốc độ tính toán được so sánh với kết quả đo tại các điểm hoạt động khác nhau, thể hiện sự phù hợp giữa thiết kế tối ưu và thực nghiệm.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự nêu các đóng góp mới trong phần "Đóng góp mới của luận án" như sau:

  1. Về phương pháp thiết kế: Đề xuất phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu kết hợp thuật toán SQP và ε-constraint áp dụng cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc nhôm, với hai mục tiêu đồng thời là cực đại mômen và cực tiểu khối lượng điện từ.
  2. Về mô hình hóa: Xây dựng mô hình mẫu thử ảo thông qua mô phỏng nhiệt - điện từ kết hợp, giảm yêu cầu về sản xuất nguyên mẫu và thử nghiệm, từ đó giảm thời gian và chi phí nghiên cứu chế tạo.
  3. Về kết quả thiết kế: Xác định được phân bổ tối ưu Pareto cho hai mục tiêu khối lượng — mômen cực đại; động cơ được chọn có mômen cực đại 15 N.m với khối lượng điện từ 9,52 kg, so với 12,4 kg của thiết kế không tối ưu (giảm 23,2% khối lượng điện từ ở cùng mức mômen).
  4. Về xác nhận thực nghiệm: Chế tạo và thử nghiệm thành công mẫu thử động cơ servo không đồng bộ 3 pha, so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng điện từ và nhiệt, xác nhận tính khả thi của phương pháp.

Kiến nghị và hướng đề xuất

Luận án đề xuất phương pháp thiết kế tối ưu trên cơ sở mô phỏng và thực nghiệm làm cơ sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động cơ servo tại Việt Nam, đặt nền móng cho việc phát triển loại động cơ này trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo phần "Hướng phát triển của đề tài" trong luận án, các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm: mở rộng phương pháp cho các loại động cơ servo khác; tiếp tục hoàn thiện mô hình nhiệt - điện từ để tăng độ chính xác dự báo; nghiên cứu kết hợp thêm các mục tiêu tối ưu như giảm tiếng ồn, rung động hoặc tăng hiệu suất năng lượng.

Về phạm vi nghiên cứu hiện tại, mẫu thử được thử nghiệm ở một số điểm hoạt động nhất định; phạm vi kiểm chứng chưa bao phủ toàn bộ dải tốc độ và chế độ tải của động cơ. Bài toán tối ưu sử dụng mô hình giải tích kết hợp FEA trong Matlab và ANSYS Electronics, chưa tích hợp trực tiếp vào một nền tảng phần mềm thống nhất.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa, Cơ điện tử: phần trình bày bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu (Chương 2), cách xây dựng phân bổ Pareto và việc triển khai thuật toán SQP kết hợp ε-constraint trong Matlab là tài liệu minh họa cụ thể.
  • Kỹ sư và nhà thiết kế trong lĩnh vực thiết bị điện - điện tử, đặc biệt tại các doanh nghiệp nghiên cứu thiết kế động cơ servo trong nước: quy trình xây dựng mô hình mẫu thử ảo và phương pháp mô phỏng nhiệt - điện từ (Chương 3, Chương 4) cung cấp quy trình thiết kế có thể áp dụng.
  • Người làm chính sách trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo và tự động hóa: luận án cung cấp cơ sở khoa học cho nhận định về năng lực và khoảng trống trong nghiên cứu, chế tạo động cơ servo tại Việt Nam.

Phần đáng tham khảo nhất là Chương 2 (xây dựng bài toán tối ưu, lựa chọn biến và ràng buộc, diễn giải phân bổ Pareto) và Chương 4 (quy trình thử nghiệm thực nghiệm, so sánh kết quả mô phỏng với đo đạc).

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án chọn hai hàm mục tiêu nào và tại sao chúng mâu thuẫn nhau?

Hai hàm mục tiêu là cực đại mômen cực đại (Tm) và cực tiểu khối lượng điện từ (W_electrom). Chúng mâu thuẫn vì để tăng mômen cần tăng kích thước mạch từ (đường kính D, chiều dài L), điều này trực tiếp làm tăng khối lượng. Mâu thuẫn này phản ánh thực tế thiết kế: không thể đồng thời đạt được mômen tối đa và khối lượng tối thiểu ở cùng một điểm thiết kế.

2. Kết quả thiết kế tối ưu cụ thể là gì, và khác thiết kế không tối ưu ra sao?

Động cơ được chọn trên phân bổ Pareto có mômen cực đại 15 N.m, khối lượng điện từ 9,52 kg, đường kính trong stator 83,2 mm, chiều dài mạch từ 90,1 mm, điện áp dây 360V và dòng điện stator 2,99 A. So với thiết kế không tối ưu (cùng mômen 15,1 N.m), khối lượng điện từ giảm từ 12,4 kg xuống 9,52 kg và khối lượng rotor giảm từ 3,9 kg xuống 2,8 kg.

3. Góc nghiêng rãnh rotor được chọn là bao nhiêu và căn cứ vào tiêu chí gì?

Góc nghiêng được chọn là 7,5° (tương ứng 1 rãnh). Căn cứ vào kết quả mô phỏng FEA: tại góc này, dao động mômen giảm 50% (từ 1,6 N.m xuống 0,8 N.m tại 500 vòng/phút) trong khi mômen trung bình chỉ giảm 2,3% (từ khoảng 15 N.m xuống 14,66 N.m). Khi tăng góc nghiêng thêm, độ nhấp nhô giảm tiếp nhưng không đáng kể trong khi tổn thất tiếp tục tăng.

4. Mật độ dòng điện cho chế độ làm việc liên tục được lựa chọn như thế nào?

Mật độ dòng điện liên tục được chọn J = 4,5 A/mm² dựa trên bảng tra phương thức làm mát và mật độ dòng điện (Bảng 2.4 trong luận án): phương thức làm mát tự nhiên tương ứng phạm vi 1,5 – 5 A/mm². Giá trị 4,5 A/mm² nằm trong khoảng cho phép, đảm bảo độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện không vượt quá giới hạn cho phép khi động cơ hoạt động liên tục.

5. Kết quả thực nghiệm có phù hợp với kết quả mô phỏng không?

Luận án so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng tại ba điểm tốc độ: 500 vòng/phút chế độ ngắn hạn, 700 vòng/phút chế độ liên tục và 1.000 vòng/phút chế độ liên tục. Đặc tính mômen – tốc độ tính toán và kết quả đo tại các điểm hoạt động khác nhau được so sánh, xác nhận sự phù hợp giữa thiết kế tối ưu và thực nghiệm. Kết quả so sánh nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm được trình bày chi tiết trong các bảng tương ứng của Chương 4.

Kết luận

Luận án của Nguyễn Đức Bắc (2021) xây dựng quy trình thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, sử dụng thuật toán SQP kết hợp ε-constraint trong Matlab để đồng thời cực đại mômen cực đại và cực tiểu khối lượng điện từ, với kết quả thể hiện trên phân bổ tối ưu Pareto. Thiết kế được kiểm nghiệm qua mô phỏng phần tử hữu hạn bằng ANSYS Electronics, mô phỏng nhiệt ở các chế độ làm việc liên tục và ngắn hạn, và thực nghiệm trên mẫu thử chế tạo thực tế. Việc kết hợp mô hình mẫu thử ảo nhiệt - điện từ cho phép giảm số lượng vòng lặp chế tạo và thời gian thử nghiệm so với phương pháp thiết kế truyền thống. Luận án đặt cơ sở cho hướng nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ servo trong nước, đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam chưa sản xuất hoàn chỉnh loại động cơ này.