ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG KHÔNG CHỔI THAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG KHÔNG CHỔI THAN

Sinh viên thực hiện Mã sinh viên

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘICỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

Đề tài: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rotor bên trong có công suất Pđm=250W

YÊU CẦU THỰC HIỆNA Phần thuyết minh

Tính toán mạch từ, dây quấn stato, rôto Tính toán nhiệt và kết cấu động cơ

Xây dựng đặc tính mở máy và tính toán tham số không tải.

4 Nội dung trình bày báo cáo ĐAMH theo đúng quy cách chung

(BM03-Quy định số 815/QĐ-ĐHCN, ngày 15 tháng 8 năm 2019).

B Bản vẽ kỹ thuật

Ngày giao đề tài: 04/7/2022 Ngày hoàn thành: 22/8/2022

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Việt Anh

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rotor

bên trong có công suất Pđm=250W

Yêu cầu thực hiện:

1 Tổng quan về động cơ không chổi than BLDC 2 Tính toán thiết kế:

 Thiết kế kích thước cơ bản của động cơ.

 Thiết kế dây quấn, rãnh stator

 Tính toán điện trở, điện cảm, kiểm tra mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc

 Xây dựng đặc tính mở máy và tính toán tham số không tải 3 Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ trên phần mềm.

2 Hoạt động của sinh viên

2.1 Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về động cơ không chổi than BLDC

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Kiến thức về thiết kế máy điện.

2.2 Hoạt động/Nội dung 2: Tính toán, thiết kế.

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng được quy trình thiết kế động cơ không chổi than BLDC, cách thiết kế kích thước mạch từ, dây quấn stato và rôto.

2.3 Hoạt động Nội dung 3: Mô phỏng kết quả tính toán, thiết kế trên phần

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Biết được cách sử dụng phần mềm để mô phỏng xác định kết quả, so sánh đối chiếu với kết quả tính toán giải tích.

IV Học liệu thực hiện ĐAMH

1 Tài liệu học tập: Giáo trình Máy điện đặc biệt (Nguyễn Trọng Thắng); Padmaraja Yedamate, Microchip Technology Inc, AN885, “Brushless DC

4 International Journal of Research Publications In Engineering And Technology

BRUSHLESS DC MOTOR USING ANSYS’, April -2016

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC

3 Tiến độ thực hiện: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi thanBLDC, rotor bên trong có công suất Pđm=250W.

Người thực hiệnNội dung công việcPhương pháp thực hiện

Phạm Xuân Hiệp Trần Ngọc Hải

Chương 1: Tổng quan về động cơ không chổi than.

Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo.

Phạm Xuân Hiệp

Chương 2: Tính toán, thiết kế - Thiết kế kích thước cơ bản của động cơ.

Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo.

Phạm Xuân Hiệp

Chương 2: Tính toán, thiết kế - Thiết kế nam châm.

- Thiết kế dây quấn, rãnh stator.

Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo.

Trần Ngọc Hải Đào Tất Đức

Chương 2: Tính toán, thiết kế - Tính toán điện trở, điện cảm - Kiểm tra mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc.

Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết

Tìm hiểu tài liệu, nhập số liệu kỹ thuật cho chương trình, theo dõi quá trình

Trình bày nội dung báo cáo ĐAMH Tổng hợp tất cả các nội dung đã được trao đổi,

Trần Ngọc Hải thống nhất trong nhóm và các kết quả đạt được.

Ngày 04 tháng 7 năm 2022.

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS Nguyễn Việt Anh

Tên chủ đề: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rotor

bên trong có công suất Pđm=250W.

Người thực hiệnNội dung công việcKết quả đạt

- Thiết kế kích thước cơ bản DC.

Bản báo cáo

Phạm Xuân Hiệp

Chương 2: Tính toán, thiết kế - Thiết kế nam châm

- Thiết kế dây quấn, rãnh stator

Bản báo cáo

Trần Ngọc Hải Đào Tất Đức

Chương 2: Tính toán, thiết kế - Tính toán điện trở, điện cảm - Kiểm tra mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc.

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS Nguyễn Việt Anh

MỤC LỤC

MỤC LỤC 9

DANH MỤC HÌNH ẢNH 10

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC 12

1.1 Khái quát về động cơ không chổi than 12

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 12

1.3 Cấu trúc động cơ 13

1.3.1 Stator (Phần tĩnh) 13

1.3.2 Rotor trong (phần quay) 14

1.4 Đặc tính cơ của động cơ BLDC 15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THAM SỐ ĐỘNG CƠ 16

2.1 Thuật toán thiết kế động cơ BLDC 16

2.2 Các thông số hình học mạch từ và dây quấn 17

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC CÙNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾ QUẢ 27

3.1 Ứng dụng mô phỏng trong thiết kế động cơ điện BLDC 27

KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1- 1 Sơ đồ khối chức năng 12

Hình 1- 2 Cấu tạo một động cơ BLDC điển hình 12

Hình 1- 3: Các dạng thiết kế thường gặp 13

Hình 1- 4 Cấu tạo của Stator có rãnh và không rãnh 13

Hình 1- 5: Các dạng thiết kế cấu trúc stator thường gặp 14

Hình 1- 6: Các dạng thiết kế cấu rotor thường gặp 14

Hình 1- 7: Đồ thị đặc tính cơ 15Y Hình 2- 1 Sơ đồ thuật toán thiết kế động cơ 17

Hình 2- 2: Thiết kế kích thước cơ bản động cơ 18

Hình 2- 3: Tính toán nam châm 19

Hình 2- 4: Thiết kế dây quấn, rãnh stator 20

Hình 2- 5: Tính toán điện trở, điện cảm và kiểm tra mật độ từ thông khi có phẩn ứng phần ứng 21

Hình 2- 6: Thuật toán kiểm tra tổn hao động cơ 22

Hình 2- 7: Thuật toán hiệu chỉnh mật độ từ thông động cơ 23

DANH MỤC KÍ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

 Các từ viết tắt Từ viết

PMSM Permanent Magnet SynchronousMotors

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

LỜI NÓI ĐẦU

Khi nhận và thực hiện đồ án này, nhóm sinh viên mong muốn có một phần đóng góp nhỏ vào việc tổng hợp lý thuyết và đưa ra các công thức sử dụng tính toán thiết kế động cơ BLDC Một điều cần thiết để những đồ án cùng cấp tiếp sau bứt

phá ra khỏi lối mòn “truyền thống” khi nghiên cứu những dạng động cơ “truyềnthống” mà thế giới bắt đầu ít sử dụng Nội dung bản tổng hợp với ba phần cơ bản:

nghiên cứu lý thuyết; xây dựng các công thức tính cơ bản; mô phỏng kiểm nghiệm trên công cụ số; đưa ra kết luận và định hướng phát triển

Tuy nhiên với tầm hiểu biết còn hạn chế, nội dụng đề tài trải rộng, thời gian thực hiện gấp rút Cho nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy nhóm sinh viên thực hiện đồ án luôn cần nhiều ý kiến đóng góp hoàn thiện từ mọi ý kiến phản biện để những nghiên cứu tiếp theo có thể hoàn thiện hơn.

Trong một khoảng thời gian ngắn chắc rằng bài làm của nhóm sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Nhóm em rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy

Nguyễn Việt Anh để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

1.1 Khái quát về động cơ không chổi than

Động cơ không chổi than - Brushless Direct Current (BLDC) là loại động cơ được hoạt động dựa vào từ trường vĩnh cữu và cảm biến xác định vị trí, không sử dụng chổi than (bàn chải) giúp loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/ tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một chiều.

1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1- 1 Sơ đồ khối chức năng

Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau:

1 Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng m- pha trên stato và rotor kích thích bằng nam châm vĩnh cứu.

2 Cảm biến vị trí rotor, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều.

3 Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên stator theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rotor

Hình 1- 2 Cấu tạo một động cơ BLDC điển hình

Về các đặc tính, khả năng sử dụng, tính kinh tế Đặc điểm của loại máy điện này là làm việc tin cậy, không tạo tia lửa điện, không gây nhiễu và có tuổi thọ cao hơn so với các loại động cơ một chiều thông thường.

1.3 Cấu trúc động cơ

Cấu trúc động cơ quay được thiết kế dưới dạng trụ Phần lớn thiết kế 4 dạng: Rotor ở phía trong stator (hình 1.3a), Rotor ở phía ngoài stator (hình 1.3b), Động cơ dạng địa, từ trường ngang theo trục ngang 1.3c, d.

Hình 1- 3: Các dạng thiết kế thường gặp

1.3.1.Stator

Stator bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn

Hình 1- 4 Cấu tạo của Stator có rãnh và không rãnh

Với stator có rãnh như hình 1.5 a, độ dài khe hở không khí nhỏ nên có độ từ thẩm cao dẫn đến mật độ từ trường của khe hở không khí cao hơn Nhờ dây quấn được đặt trong rãnh với hệ số dẫn nhiệt của vật liệu sắt từ cao nên khả năng tỏa nhiệt tốt hơn Nhưng nó có nhược điểm là gây ra mô men đập mạch lớn và khó khăn trong quá trình quấn dây do yêu cầu thiết kế độ rộng miệng rãnh.

Với stator không có rãnh như hình 1.5 b, các vòng dây được quấn trên gông stator Với cách quấn dây này không có mô men đập mạch và dây quấn được phân bố đều trên khắp stator Tuy nhiên chính vì điều này mà khe hở không khí lớn và từ trở của khe hở không khí tăng lên Vì vậy khó tản nhiệt trong dây quấn cũng như mạch từ, mật độ dòng điện trong dây quấn giảm xuống và hiệu hiệu suất của động cơ loại này luôn thấp hơn loại stator có rãnh.

Với stator có rãnh kín như hình 1.5 c, khắc phục những nhược điểm của stator không rãnh Tuy nhiên do ảnh hưởng của miệng rãnh kín gây ra ngắn mạch mạch từ của những cuộn dây, giảm từ trường liên kết giữa stator và rotor ảnh hưởng đến giá trị của b-EMF Vì vậy nhằm tránh những ảnh hưởng này thì cầu nối kín miệng rãnh phải được thiết kế tính toán với mức nhỏ nhất có thể sản xuất được Răng và gông từ được chế tạo tách rời, cho nên khi lắp ráp phải đảm bảo tính đồng tâm và giảm thiểu khe hở không khí giữa răng và gông từ.

Hình 1- 5: Các dạng thiết kế cấu trúc stator thường gặp

1.3.2.Rotor trong

Hình 1- 6: Các dạng thiết kế cấu rotor thường gặp

Kiểu đặt nam châm như hình 1.6 a-d gọi là kiểu nam châm gắn bề mặt Nam châm hình dạng cung tròn hướng tâm ở hình 3.9a là kiểu cổ điển được chế tạo Tương tự, kiểu gắn nam châm hình 1.6 b,c nhưng các cạnh bên của nam châm song song với nhau Các nam châm hình 1.6 a,b,c được chế tạo từ các miếng nam châm ban đầu hình khối và được từ hóa trước khi lắp vào rotor, khác với hình 1.6d được chế tạo để bao quanh mạch từ rotor và được từ hóa khi đã lắp vào mạch từ Phân bố nam châm hình cánh quạt như hình 1.6 e, có diện tích mặt nam châm lớn hơn so với kiểu phân bố trên bề mặt cho nên sử dụng được những loại nam châm có tính từ thấp như ferrite với dạng khối Nhúng nam châm vào trong rotor như hình 1.6 f đảm bảo máy hoạt động ổn định khi với tốc độ cao, tuy nhiên sẽ làm tăng từ trở khi từ thông từ nam châm qua khe hở không khí, tạo ra sự nhấp nhô mô men lớn hơn.

1.4 Đặc tính cơ của động cơ BLDC

Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thường như hình 1.7 Tức là mối quan hệ giữa mô men và tốc độ là các đường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ có thể được mở rộng hơn.

Nhóm 2 GVHD:TS Nguyễn Việt Anh

Các thông số yêu cầu thiết kế động cơ

Thiết kế kích thước cơ bản động cơ

Đồ án Thiết kế thiết bị điện 19 KhoaĐiện

Hình 2- 1 Sơ đồ thuật toán thiết kế động cơ

2.2 Các thông số hình học mạch từ và dây quấn

Mô phỏng phần mềm Ansys Maxwell Tính toán điện trở, điện cảm

Kiểm tra mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc

Thiết kế dây quấn, rãnh stator

Thuật toán kiểm tra (η, Eph, cosφ)

Không đạt Không đạt

10 Số rãnh của một pha Nsp Rãnh/ pha 4

2.2.1.Thiết kế tính toán thông số mạch từ

Bảng 2- 2: Thông số tính toán mạch từ

17 Số rãnh stator/pha/ cực Nspp int Nspp = int(Nsp/Nm) 1

49 Hệ số phân dây quấn rải kd

74 Độ cao đáy nhỏ d2 mm Lựa chọn 0,5

việc nam châm

96 Độ tự cảm đầu bối dây Le H

2.2.2.Thiết kế tính toán vật liệu và một số hệ số đặc tính động cơ

Bảng 2- 3: Thông số tính toán vật liệu

Công suất tính toán

21 Hiệu suất phần động

23 Giá trị nhấp nhô mô

răng stator

7 Độ dẫn nhiệt của vật liệu

Mục đích xây dựng mô hình trên phần mềm Ansys Maxwell để xác định phân bố từ trường và kiểm tra các thông số thiết kế của động cơ với modul Rm-xprt của phần mềm

Quá trình mô phỏng trên Maxwell gồm hai bước cơ bản:

 Nhập thông số hình học, vật liệu, yêu cầu và đáp ứng đầu vào trong modul Rm-xprt.

 Xuất dữ liệu từ modul Rm-xprt sang modul 2D.

b) Giá trị tính toán tự động trong Rm-xprt

Bảng 3- 1 Kết quả tính toán tự động trên mô đul Rm-xprt-Ansys Maxwell

Thông số Đơn vị Giá trị mô

STATOR DATA

Outer Diameter of Stator (Đường kính

Number of Conductors per Slot (số

ROTOR DATA

PERMANENT MAGNET DATA

273.675

Recoil Residual Flux Density Tesla 1.23

MATERIAL CONSUMPTION

STEADY STATE PARAMETERS

NO-LOAD MAGNETIC DATA

Rotor-Yoke Ampere Turns A.T 0.235682

Armature Reactive Ampere Turns at

Correction Factor for Magnetic Circuit

Correction Factor for Magnetic Circuit

FULL-LOAD DATA

101.148 The 3-phase, 2-layer winding can be

TRANSIENT FEA INPUT DATA

Equivalent Stator Stacking

c) Kết quả mô phỏng trong Rm-xprt và Maxwell 2D.

* Đồ thị được xuất ra từ mô phỏng trong Rm-xprt

Hình 4 1 Hiệu suất động cơ theo tốc độ đầu trục.

Hình 4 2 Công suất đầu ra theo tốc độ đầu trục

Hình 4 3 Đặc tính mô men theo tốc độ đầu trục

Hình 4 4 Mô men đập mạch giữa hai bánh răng stator

Hình 4 5 Mật độ từ thông khe hở không khí

Hình 4 6 Sức phản điện động ở chế độ định mức.

Hình 4 7 Dòng điện khi mang tải

Hình 4 8 Dòng điện khi mang tải

* Đồ thị được xuất ra trong Ansys Maxwell 2D.

Hình 4 9 Chia lưới tính toán FEM trong Asys Maxwell 2D

d, Bản vẽ thiết kế động cơ BLDC

Bản vẽ thiết kế động cơ BLDC trên Ansys maxwell 3D.

KẾT LUẬNKết quả nhận được

Đồ án đã đề cập và giải quyết được một số vấn đề về lý thuyết cơ bản, cơ sở thiết kế và mô hình hóa kiểm nghiệm động cơ một chiều không chổi than với những công việc đã thực hiện và đạt được kết quả như sau:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế động cơ BLDC.

- Làm rõ nguyên lý hoạt động và điều khiển động cơ BLDC.

- Đưa ra cơ sở toán học kiểm nghiệm thiết kế động cơ trên nền ứng dụng số - Tính toán cơ bản các kết cấu cơ khí từ những vật liệu có thông số rõ ràng - Đưa ra những bản vẽ cơ sở chế tạo

Những mặt hạn chế

Mặc dù đã đạt được một số kết quả khả quan đã nêu trong nội dung đồ án Nhưng do những lý khác nhau cho nên đồ án này vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần được giải quyết và hoàn thiện:

- Quy trình thiết kế động cơ chưa đạt được tính chuẩn hóa.

- Xây dựng mô hình giải tích mới chỉ dừng lại ở những nội dung chung nhất - Phần lớn các công thức đại số đưa ra mới chỉ tính toán.

Để hoàn thành đồ án này, một lần nữa em xin cảm ơn thầy giáo Nguyễn ViệtAnh đã tận tình dạy bảo, hướng dẫn, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình làm

đồ án.

Em xin chân thành cảm ơn và kính chúc các thầy cùng gia đình mạnh khỏe, hạnh phúc và thành đạt!

Hà nội, ngày 21 tháng 8 năm 2022

Nhóm sinh viên thực hiện Trần Ngọc Hải Phạm Xuân Hiệp

Đào Tất Đức

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Chapter 1 Brushless Permanent Magnet Motor Design 2nd Edition Dr Duane Hanselman 2006, Magna Physics Publishing, ISBN: 1-881855-15-5.

[2] Chapter 1 Design of Brushless Permanet Magnet Motor J.R Hendershot Jr and THE Miller 1994, Maga Physics, ISBN: 1-881855-03-1.

[3] Chapter 1 SPEED's Electric Machines with problems and solutions TJE Miller 2002- 2011.

[4] Chapter 1 Permanent Magnet Motor Techlonogy 3nd Edition Prof Jacek F Gieras 2010, Taylor and Francis Group, ISBN: 978-1-4200-6440-7.

[5] Chapter 1 & 8 Permanent Magnet Motor Techlonogy Design and Application 3nd Edition Jacek F Gieras and Mitchell Wing 2006, Marcel Dekker,ISBN: 0-8247-0739-7.

[6] Chapter 7 Brushless Permanent Magnet Motor Design 2nd Edition Dr Duane Hanselman 2006, Magna Physics Publishing, ISBN: 1-881855-15-5.