Khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu

Khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu Khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu Khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu Khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu

Dẫn nhập

Việt Nam đang trên đà phát triển kinh tế nhanh chóng, với mục tiêu trở thành nước công nghiệp trong tương lai gần Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa không chỉ thúc đẩy nền kinh tế mà còn tạo ra sự chuyển biến tích cực trong xã hội Xu hướng phát triển ngành công nghiệp hiện nay, đặc biệt là trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0, yêu cầu sự kết hợp kiến thức từ nhiều lĩnh vực như vật lý, kỹ thuật số và sinh học Ngành công nghiệp ô tô cũng không nằm ngoài xu hướng này, được hưởng lợi từ những thành tựu quan trọng Tuy nhiên, sự phát triển này cũng đặt ra nhiều thách thức cần được giải quyết để bảo vệ lợi ích của nhân loại.

Vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch đang trở nên nghiêm trọng do sự phát triển và khai thác quá mức Nếu tình trạng này tiếp tục, chỉ trong vòng 50 năm tới, nguồn nhiên liệu sẽ không đủ để đáp ứng nhu cầu của toàn bộ nhân loại trên hành tinh.

Vì vậy chúng ta phải cân nhắc xem xét thật kỹ sử dụng sao cho hợp lý và hiệu quả để đạt hiệu suất cao

Nhiệm vụ quan trọng hiện nay là bảo vệ chất lượng môi trường trong khi phát triển kinh tế xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống, đặc biệt tại các thành phố lớn Việt Nam, với nền kinh tế đang phát triển nhanh và mục tiêu trở thành nước công nghiệp vào năm 2021, phải đối mặt với những thách thức về môi trường Sự phát triển công nghiệp hóa kéo theo sự gia tăng sử dụng phương tiện giao thông, mang lại lợi ích trong việc vận chuyển hàng hóa và thúc đẩy kinh tế, nhưng cũng gây ra tác động tiêu cực đến sức khỏe và môi trường Lượng khí thải từ các phương tiện giao thông góp phần vào hiệu ứng nhà kính, làm gia tăng biến đổi khí hậu, ảnh hưởng rõ rệt đến đời sống con người Do đó, nghiên cứu và áp dụng các giải pháp bảo vệ môi trường là điều cấp thiết.

Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và bảo vệ môi trường đang trở thành vấn đề cấp thiết hiện nay, đặt ra thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu và phát triển động cơ đốt trong cũng như năng lượng tái tạo Các nghiên cứu hiện nay đang hướng tới việc sử dụng nguồn năng lượng sạch như khí CNG, biogas và chất phụ gia nhiên liệu Giải pháp ô tô điện và ô tô hybrid, như Tesla và Toyota, đã góp phần giải quyết vấn đề này, nhưng vẫn gặp phải hạn chế về phạm vi di chuyển, dung lượng pin, thời gian nạp và chi phí cao Để đáp ứng yêu cầu tiết kiệm nhiên liệu và tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt, các nhà nghiên cứu đang cải tiến công nghệ động cơ truyền thống Dự án động cơ không trục khuỷu – Free Piston Engine kết hợp với máy phát điện tuyến tính hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn và phát thải thấp hơn so với động cơ thông thường, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp năng lượng.

Hình 1.1 a-Cấu hình FPE đơn; b-Cấu hình FPE kép ; c-Cấu hình FPE đối đỉnh ; d-Cấu hình

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về đề tài

1.2.1 Các nghiên cứu ở trong nước

Nghiên cứu về FPEG tại Việt Nam đang trong giai đoạn khởi đầu, nhưng số lượng công trình và công bố còn hạn chế Các nghiên cứu chủ yếu được thực hiện bởi các tổ chức và cá nhân từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Nguyễn Tất Trung đã thực hiện nghiên cứu thiết kế và chế tạo, sử dụng phần mềm Creo 6.0 để tính toán và kiểm nghiệm độ bền của các chi tiết chủ yếu của động cơ Kết quả là ông đã chế tạo thành công nguyên mẫu FPEG đầu tiên tại Việt Nam Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc kiểm nghiệm độ bền mà chưa tiến hành kiểm nghiệm máy phát.

Hình 1.2 Nguyên mẫu FPEG được chế tạo và lắp ráp [1]

1.2.2 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Vào những năm 1990, động cơ piston tự do đã có nhiều ứng dụng phát triển, đặc biệt trong lĩnh vực máy phát điện Những thiết bị này được chú ý vì tính hiệu quả và sự phù hợp của chúng trong việc vận hành các máy phát điện.

Một mẫu thử FPLG đánh lửa có đường kính 36.5 mm và hành trình tối đa 50 mm đã được chứng minh có hoạt động ổn định, với công suất đầu ra đạt 316 W ở mức 79 V khi hoạt động đầy tải Nghiên cứu này cũng đã thực hiện một số phân tích về các tham số của động cơ tuyến.

Máy phát tuyến tính với 25 tính phun trực tiếp hai kỳ mang lại hiệu suất đầu ra vượt trội và hiệu quả cao hơn so với động cơ 4 kỳ.

Wang và cộng sự đã mô tả thiết kế và đặc tính thử nghiệm của một máy phát điện nam châm vĩnh cửu tuyến tính tịnh tiến, bao gồm cả thiết kế điện từ và cơ học Phương pháp thiết kế này dựa trên việc phân tích các cấu trúc và thông số, cho phép tối ưu hóa các tham số của máy phát Các kết quả được xác minh thông qua phân tích phần tử hữu hạn điện từ phi tuyến tính Tiện ích của phương pháp được minh họa qua một nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm thiết bị nguyên mẫu.

Trong bài báo của Wang và cộng sự, các vấn đề thiết kế máy phát nam châm vĩnh cửu tuyến tính cho bộ chuyển đổi năng lượng piston tự do được thảo luận Để đạt được mật độ năng lượng cao, hiệu suất tốt và khối lượng di chuyển thấp, máy hình ống với cuộn dây mô-đun và từ hóa quasi-Halbach đã được lựa chọn Các biểu thức phân tích đã được thiết lập để dự đoán phân bố từ trường, suất điện động, lực đẩy, phản ứng phần ứng, cũng như độ tự cảm tương hổ của máy, thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn Kết quả cho thấy thiết kế máy có thể được tối ưu hóa theo tỷ lệ ba chiều mà vẫn đáp ứng các thông số kỹ thuật hiệu suất khác Bài báo cũng chỉ ra rằng giá trị tham số và hướng của các phần từ có ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của việc điều chỉnh hiệu năng điện.

Hình 1.3 Cơ cấu máy phát tuyến tính động cơ free-piston đối lập

Oprea và các cộng sự đã sử dụng LabView để mô hình hóa động cơ FPLE, nhằm sản xuất điện năng cho xe lai trong giai đoạn chuyển đổi Họ so sánh các giá trị và thiết lập các mô hình đơn giản để thiết kế máy phát điện 3 pha với nam châm vĩnh cửu Dựa vào các tham số đầu vào, tác giả đã mô hình hóa trên LabView, từ đó so sánh giá trị và đưa ra các phương án tối ưu cho máy phát điện từ động cơ piston tự do (FPLE), tạo nền tảng cho việc thiết kế và tối ưu hóa các mô hình tương tự trong tương lai.

Wang và các cộng sự đã thiết kế bộ phát điện tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu cho động cơ FPG, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc giảm thiểu khí thải và cung cấp nguồn năng lượng tối ưu cho xe lai Thiết kế này loại bỏ cơ cấu trục khuỷu và cho phép điều chỉnh tỷ số nén của động cơ, từ đó cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm đáng kể lượng phát thải NOx và CO2 Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu quả chuyển đổi điện năng, với tổng khối lượng phần ứng nam châm chuyển động giới hạn ở mức 6.0 kg.

Hình 1.5 Cấu tạo máy phát điện [6]

Li và các cộng sự đã nghiên cứu động cơ FPG cho xe lai, sử dụng máy điện phát hiệu suất cao Nghiên cứu chỉ ra rằng việc kết hợp một động cơ dẫn động chính (ICE) với động cơ FPG phụ trợ giúp tối ưu hóa hiệu suất Động cơ này có ưu điểm vượt trội như kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, phù hợp cho các loại xe lai song song, lai phức tạp và xe điện Nó cũng cung cấp giải pháp tăng bán kính hoạt động khi xe hết pin, đồng thời tận dụng năng lượng dự trữ từ nguồn cấp pin.

Ding và các cộng sự đã phân tích tiềm năng của động cơ FPG trong việc cải thiện hiệu quả nhiên liệu, từ đó phát triển mô hình động lực học cho xe điện Hybrid Bài viết giới thiệu mô hình toán học cho máy phát điện tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu, cung cấp cái nhìn sâu sắc về đặc tính vận hành của động cơ Hiệu suất của động cơ FPG được thảo luận và so sánh với các thí nghiệm nguyên mẫu của các động cơ khác.

Hình 1.6 Mô hình động cơ FPG [8]

Xu và các cộng sự đã cải tiến bộ phát điện sử dụng cuộn dây di chuyển tuyến tính trong động cơ, với kết quả thử nghiệm trên động cơ nguyên mẫu 4kN cho thấy hiệu suất tốt, phù hợp cho xe lai hybrid Động cơ này có khối lượng nhỏ, phản ứng nhanh và kiểm soát tốt hơn so với các mô hình khác Thiết kế này có thể ứng dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động hoặc tần số cao như máy nén, động cơ Stirling và máy phát rung động.

Hình 1.7 Mô hình hóa bộ phát điện của tác giả được phát triển từ động cơ FPLE [9]

Fazal và các cộng sự đã báo cáo về phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích máy phát điện tuyến tính cho động cơ FPLE Nghiên cứu so sánh hai máy phát điện với 6 cực và 8 cực để đánh giá sự phân bố từ thông trong khe hở không khí Máy phát điện này, nằm trong động cơ, gặp phải vấn đề do nhiệt độ sinh ra, dẫn đến giảm từ trường Thiết kế máy phát tuyến tính sử dụng cuộn dây 3 pha được thực hiện thông qua phương pháp phần tử hữu hạn 2 chiều, với mục tiêu đạt được điện áp đầu ra tối đa Sự thay đổi thông lượng được ghi nhận là 6 mWb và mật độ từ thông đạt 0,45 Tesla cho kích thước thu nhỏ.

Động cơ có kích thước 29 thước với cuộn đơn đạt cực đại 50 Volts Thiết kế này được phát triển nhằm thay thế máy nam châm chuyển động FPLE, kết hợp với máy phát điện tuyến tính.

Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc mô hình hóa và mô phỏng các máy phát điện tuyến tính tích hợp với FPLE Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các tính toán và khảo sát động cơ tuyến tính trong các mô hình độc lập và ở các vận tốc khác nhau Điều này mở ra cơ hội cho những mục tiêu nghiên cứu trong tương lai.

Lý do chọn đề tài

Máy phát điện tuyến tính (LPMG) đóng vai trò quan trọng trong động cơ FPLE, chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng Nghiên cứu này nhằm xác thực độ tin cậy và hiệu năng điện của máy phát trong các ứng dụng thực tế, thông qua việc sử dụng công thức, mô phỏng và mô hình để tính toán các thông số phù hợp với công suất mong muốn Mục tiêu là tìm ra phương pháp nâng cao năng suất điện năng bằng cách điều chỉnh các yếu tố như chiều dài nam châm vĩnh cửu, hướng từ hóa và cấu trúc stator.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển mô hình máy phát điện tuyến tính dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Trạng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Trong luận văn này, tôi tập trung vào nghiên cứu khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khảo sát đặc tính máy phát điện tuyến tính

Phạm vi nghiên cứu: máy phát điện tuyến tính 1 pha.

Mục tiêu nghiên cứu

Trong luận văn này, tôi đề ra các mục tiêu nghiên cứu sau:

Mục tiêu của luận văn là hiểu rõ cấu tạo và nguyên lí làm việc của động máy phát điện tuyến tính

Mô phỏng, khảo sát tính năng của máy phát điện tuyến tính Đề ra phương án, thiết kế và chế tạo máy phát điện tuyến tính

Hoàn thành các bản vẽ chi tiết thiết kế

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và phân tích cơ sở lý thuyết của máy phát điện tuyến tính

- Tổng quan các đề tài liên quan đến hệ thống đánh lửa của động cơ không trục khuỷu và máy phát điện tuyến tinh

- Nghiên cứu dùng phần mềm Maxwell V16, Matlab để mô phỏng đặc tính

- Luận văn gồm 5 chương Được tóm tắt như sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Tính toán mô phỏng

Chương 4 Thiết kế máy phát điện tuyến tính

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp tổng quan tài liệu: Tổng quan các tài liệu liên quan đến máy phát điện tuyến tính

- Phương pháp phân tích lý thuyết: Phân tích lý thuyết về nguyên lý phát điện

- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Đưa ra mô hình toán phù hợp và mô phỏng trên phần mềm Matlab.

Kế hoạch thực hiện

1.Đăng ký tên đề tài

2.Xác định đề tài nghiên cứu

7.Hoàn chỉnh thủ tục và bảo vệ luận văn Kết thúc nghiên cứu

Động cơ không free-piston

2.1.1 Tổng quan về động cơ free-piston: Động cơ free-piston là một sự thay thế đầy hứa hẹn cho động cơ thông thường trong các ứng dụng như xe điện hybrid hoặc điều khiển thủy lực trên đường cao tốc Động cơ được sử dụng trong thương mại vào giữa thế kỷ 21 như máy phát điện khí và máy nén khí, thường cho thấy các đặc tính có lợi Trong những năm gần đây, động cơ free-piston đã được phát triển bởi một số nhóm trên toàn thế giới, cả trong nghiên cứu và công nghiệp Động cơ free- piston là một trục tuyến tính, trong đó chuyển động piston không được kiểm soát bởi trục khuỷu mà xác định bởi sự tương tác của các bộ phận: buồng đốt khí, thiết bị phục hồi (ví dụ, một piston trong một xylanh kín) và một thiết bị tải (ví dụ máy nén khí hoặc máy phát điện tuyến tính) Hình 2.1

Một trong những động lực chính cho các nghiên cứu về động cơ free-piston là tiềm năng của nó trong việc cung cấp năng lượng cho máy phát điện trong xe điện hybrid Động cơ này có thiết kế nhỏ gọn và đơn giản về mặt cơ học nhờ vào việc tích hợp giữa động cơ free-piston và máy phát điện Bên cạnh đó, việc loại bỏ trục khuỷu giúp giảm thiểu tổn thất ma sát một cách đáng kể.

Hình 2.1 Mô hình động cơ free-piston hai buồng đốt đối lập

2.1.2 Ƣu điểm động cơ free- piston:

Động cơ free-piston đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu gần đây nhờ vào sự đơn giản của nó Việc loại bỏ trục khuỷu không chỉ giảm số lượng bộ phận mà còn làm giảm độ phức tạp của động cơ piston tự do, từ đó mang lại nhiều lợi thế tiềm năng.

Động cơ free-piston có tổn thất ma sát thấp hơn đáng kể so với động cơ truyền thống nhờ vào việc thiếu một trục khuỷu, giúp chuyển động của piston tự do và gia tốc lớn hơn Gia tốc tối đa của piston trong động cơ free-piston cao hơn khoảng 60% so với động cơ thông thường, dẫn đến tổn thất truyền nhiệt trong xylanh của động cơ này cũng thấp hơn.

- Giảm chi phí sản xuất: Giảm các bộ phận trong động cơ free-piston dẫn đến giảm chi phí sản xuất

Động cơ free-piston có thiết kế nhỏ gọn nhờ vào việc giảm số lượng bộ phận, từ đó kích thước và trọng lượng của nó cũng được tối ưu hóa.

Chi phí bảo trì thấp và tuổi thọ cao của động cơ được đảm bảo nhờ vào việc giảm số lượng bộ phận và giảm ma sát, tổn thất Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí bảo trì mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

2.1.3 Các loại động cơ free-piston: a Piston đơn:

Động cơ free-piston loại piston đơn, như hình 2.2, bao gồm ba thành phần chính: buồng xylanh đốt, thiết bị tải, và thiết bị bật lại (có thể là lò xo hoặc van điện solenoid) Những thành phần này cùng nhau lưu trữ năng lượng cần thiết để nén lại piston cho chu kỳ tiếp theo Thiết kế đơn giản và khả năng điều khiển cao là những ưu điểm nổi bật của loại động cơ này.

Thiết kế piston đơn nổi bật với sự đơn giản và dễ sản xuất, giúp kiểm soát tốt hơn so với các loại free-piston khác Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là độ cân bằng động kém do chỉ sử dụng một piston Mặc dù thiết bị bật lại có khả năng kiểm soát chính xác lượng hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong quá trình nén, động cơ free-piston với thiết kế đơn giản này vẫn không thể so sánh với động cơ piston đối đỉnh hoặc piston kép, nơi mà sự cân bằng hoàn toàn là lợi thế chính.

Hình 2.3 Mô hình động cơ free-piston loại piston kép

Động cơ free-piston kép lần đầu tiên được Dellendo đề cập vào năm 1990, thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu nhờ hiệu quả cao của nó Đến gần năm 2000, nhà nghiên cứu Lagragin đã phát minh ra một phiên bản mới của động cơ này, cải thiện hiệu suất thông qua việc tăng tỷ số nén và giảm thời gian đốt cháy Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu năng của động cơ free-piston kép, nhưng kết quả vẫn chưa đạt được những bước tiến lớn Một trong những ưu điểm của thiết kế này là buồng đốt chung, giúp giảm thiểu mất mát nhiệt Tuy nhiên, do hai piston được đồng bộ hóa bằng liên kết cơ học, kích thước của động cơ thường lớn hơn Cấu hình động cơ piston kép cũng loại bỏ sự cần thiết của thiết bị phục hồi, cho phép thiết bị trở nên nhỏ gọn hơn với tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn.

Việc kiểm soát chuyển động của piston, bao gồm chiều dài hành trình và tỷ lệ nén, là một thách thức lớn do các lỗi nhỏ trong quá trình đốt cháy trong buồng đốt chung Những lỗi này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến lần nén tiếp theo, do đó, quá trình đốt cháy cần được kiểm soát chính xác để tối ưu hóa khí thải và đạt hiệu quả cao Mặc dù piston đối lập có kích thước gọn nhẹ và khả năng tạo ra công suất đầu ra lớn, nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc vận hành và điều khiển.

Động cơ free-piston loại piston đối lập, được giới thiệu lần đầu vào năm 1943 bởi nhà nghiên cứu Ostenberg, là một trong những loại động cơ sớm nhất nhưng chưa được chú ý nhiều do kích thước lớn và có hai buồng đốt.

Vào năm 1990, nhiều mẫu hình mới được trình bày với mục tiêu tối ưu hóa các vấn đề kỹ thuật Đến năm 2002, các nhà nghiên cứu tập trung vào loại piston đối lập, nhận thấy hiệu quả vượt trội so với piston đơn Loại động cơ này phù hợp cho việc phát triển máy phát tuyến tính nhờ cơ cấu tịnh tĩnh của thanh nối cứng hai piston Từ năm 2012 đến nay, nghiên cứu không chỉ dừng lại ở máy phát tuyến tính mà còn mở rộng sang ứng dụng cho xe hybrid Tuy nhiên, một thách thức lớn là ảnh hưởng nhiệt từ buồng đốt đến tính từ của vật liệu trên thanh nối cứng Năm 2017, Johnson và Leick đã nghiên cứu phương pháp làm mát và bôi trơn tối ưu, mở ra tiềm năng lớn cho việc sử dụng trong xe điện hybrid.

Động cơ free-piston đối lập bao gồm hai piston đối xứng trong hai buồng đốt riêng biệt, mỗi bên có buồng đốt độc lập Loại piston này yêu cầu thiết bị bật lại và thiết bị tải kết nối với cả hai piston Mặc dù thiết kế này mang lại sự cân bằng hoàn hảo và giảm thiểu rung lắc nhờ cơ cấu thanh nối cứng, nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc kiểm soát biên độ piston và đồng bộ chuyển động Hơn nữa, cấu hình piston đối lập giúp giảm tổn thất truyền nhiệt, tuy nhiên, vấn đề đồng bộ giữa hai piston vẫn là một nhược điểm cần khắc phục.

Các đặc tính cơ bản của động cơ free-piston

2.2.1 Động lực học của piston: Động lực học piston được phân thành hai chế độ chính: khởi động và hâm nóng Đối với một động cơ đốt trong truyền thống, chuyển động của piston được kiểm

Hệ thống khởi động được điều khiển bởi một trục khuỷu, giúp đảm bảo vị trí TDC của piston luôn nhất quán trong mỗi chu kỳ Điều này cho phép piston tối ưu hóa tốc độ, vì áp suất nén luôn được duy trì ổn định nhờ vào mối liên kết cơ học giữa mỗi piston và trục khuỷu.

Trong hệ thống FPLE, chuyển động của piston không bị giới hạn bởi trục khuỷu mà được điều khiển bởi máy phát điện tuyến tính, tạo ra lực đẩy thông qua dòng điện cảm ứng Điều này dẫn đến chuyển động tuyến tính của piston trong chế độ khởi động, với vị trí TDC của piston thay đổi, làm tỷ lệ nén của FPLE cũng biến đổi Trong quá trình khởi động, FPLE tối ưu hóa tốc độ piston để quét hiệu quả hỗn hợp không khí và nhiên liệu, đồng thời đảm bảo áp lực nén đủ thông qua biên độ piston thích hợp Nghiên cứu của Jia chỉ ra rằng lực đẩy cao hơn sẽ dẫn đến tốc độ nén và tỷ lệ nén cao hơn, với vận tốc đạt cực đại tại điểm giữa, nơi lực đẩy bằng tổng lực khí nén và lực ma sát.

Hình 2.5 Biểu đồ thể hiện tỷ lệ nén tại các chu kỳ tương ứng với các mức lực đẩy khác nhau

Sau khi khởi động, chế độ hăm nóng được kích hoạt thông qua bugi trong động cơ SI hoặc kim phun trong động cơ CI Trong giai đoạn này, động lực học của piston chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như khối lượng di chuyển, vị trí đánh lửa và khả năng chịu tải của FPLE Nghiên cứu của Li [12] chỉ ra rằng hành trình piston tối đa có thể được điều chỉnh dễ dàng.

Việc điều chỉnh các vị trí đánh lửa, khối lượng di chuyển và khả năng chịu tải giúp dễ dàng đạt được tỷ lệ nén cao Thí nghiệm so sánh giữa động cơ FPLE và động cơ truyền thống cho thấy vận tốc và gia tốc của piston trong động cơ truyền thống diễn ra trơn tru hơn Tuy nhiên, vận tốc của piston trong động cơ FPLE lại biến đổi đáng kể quanh TDC, yêu cầu gia tốc cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong truyền thống, điều này có lợi trong việc giảm thiểu tổn thất nhiệt trong xylanh.

Một nghiên cứu của Lee cho thấy việc thay đổi độ cứng của lò xo kim loại trong các xylanh của máy nén trong FPLE hai kỳ có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất Cụ thể, ông nhận thấy rằng cả vận tốc và chuyển vị của hai piston đều tăng lên khi điều chỉnh độ cứng của lò xo Lực đẩy từ lò xo tỷ lệ thuận với độ cứng, cho thấy rằng độ cứng của lò xo đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tỷ lệ nén của FPLE.

Nghiên cứu của Mikalsen and Roskilly [14] đã được tiến hành để so sánh hiệu suất của

FPLE có hiệu suất vượt trội so với động cơ thông thường ở tốc độ thấp, tuy nhiên, hiệu quả của động cơ free-piston giảm khi tốc độ tăng lên.

Trong quá trình đốt cháy SI, thời điểm đánh lửa là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, kiểm soát thời gian bắt đầu quá trình đốt cháy Đối với động cơ trục khuỷu thông thường, thời điểm đánh lửa được xác định bởi góc quay, trong khi ở FPLE không có trục khuỷu, thời điểm này phụ thuộc vào vị trí bắt đầu SI Huang đã áp dụng phương pháp số để mô phỏng áp suất đốt trong xylanh và tỷ số nén của FPLE đối kháng hai thì Qua việc sử dụng hàm Wiebe, ông đã thay đổi thời điểm đánh lửa để nghiên cứu tác động của nó đến áp suất đốt trong buồng đốt, cho thấy rằng đánh lửa sớm dẫn đến áp suất cực đại cao hơn trong xylanh do sự giải phóng nhiệt và gia tốc cực đại.

Hình 2.6 Đồ thị P-V của thời điểm đánh lửa khác nhau [15]

2.2.3 Động cơ tuyến tính 2 kỳ và 4 kỳ:

FPLG được chia thành hai loại chính: động cơ 2 kỳ và 4 kỳ Động cơ 2 kỳ thường được nghiên cứu nhiều hơn do động cơ 4 kỳ gặp phải những vấn đề phức tạp trong việc điều khiển điện tử van nạp-xả Trong động cơ 2 kỳ, quá trình đóng mở diễn ra nhờ vào chuyển động của piston và vị trí của cửa nạp và thải, mang lại cấu trúc đơn giản hơn Điều này giúp động cơ 2 kỳ hoạt động hiệu quả hơn trong các ứng dụng tuyến tính, trong khi động cơ 4 kỳ với cấu trúc phức tạp hơn không phù hợp với nguyên lý hoạt động này Do đó, động cơ 2 kỳ được phát triển và nghiên cứu nhiều hơn so với động cơ 4 kỳ.

Trong nghiên cứu của Jia et al, khi so sánh động cơ 2 kỳ và 4 kỳ, mặc dù động cơ 4 kỳ có tốc độ piston cao hơn trong kỳ giãn nở, nhưng do có kỳ không sinh công, tốc độ tổng thể của piston lại thấp hơn do lực phanh Quá trình giải phóng trong động cơ 2 kỳ được liên kết chặt chẽ hơn với thể tích cố định, trong khi áp suất cao nhất trong xylanh của động cơ 4 kỳ cao hơn 2 kỳ, dẫn đến tăng chuyển vị piston Sự dịch chuyển piston trong động cơ 4 kỳ dài hơn đáng kể so với 2 kỳ nhờ vào việc tối ưu hóa lực motor, điều này đảm bảo hoạt động ổn định và mượt mà Tác giả đề xuất thêm hệ thống điều khiển phức tạp cho động cơ 4 kỳ Kết quả cho thấy công suất và năng lượng điện chỉ định của động cơ 2 kỳ cao hơn nhiều so với 4 kỳ ở cùng một góc mở bướm ga.

40 phần năng lượng điện tạo ra trong 4 kỳ được sử dụng để bù lượng năng lượng trong quá trình chuyển động

Hình 2.7 Vận tốc và chuyển vị piston của động đơ 2 kì và động cơ 4 kì

Hình 2.8 Áp suất và thể tích trong xylanh của động cơ 2 kì và động cơ 4 kì

Máy phát tuyến tính

2.3.1 Giới thiệu về máy phát tuyến tính:

Máy phát điện chủ yếu được biết đến với cấu hình quay, phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp và giao thông Tuy nhiên, có những trường hợp ngoại lệ đáng chú ý, như tàu điện bay cao tốc "Maglev", bệ phóng đạn và bộ truyền động y sinh nhỏ, nơi máy điện hoạt động như cơ cấu chấp hành Động cơ tuyến tính, thường sử dụng nam châm siêu dẫn để nâng cao hiệu suất, được làm mát ở nhiệt độ thấp nhằm giảm tổn thất từ tính và tiết kiệm điện năng Khái niệm về máy tuyến tính có thể đơn giản hóa cơ chế hệ thống nếu được áp dụng như máy phát ở tốc độ chậm Nguyên lý hoạt động của máy phát điện dạng quay và tuyến tính tương tự nhau, chỉ khác nhau ở mặt phẳng chuyển động.

Máy tuyến tính có thể được xem như là phiên bản phẳng của rotor trong máy phát điện, với stator di chuyển qua lại thay vì quay Tất cả các phương trình mô tả máy quay có thể áp dụng cho máy tuyến tính với một số điều chỉnh nhỏ, như việc thay thế mô-men xoắn bằng lực Công suất mà máy tuyến tính hấp thụ tương đương với tích của lực phản kháng mà nó cung cấp Để tăng công suất ở một vận tốc nhất định, cần phải tác dụng một lực lớn hơn, từ đó tạo ra dòng điện cao hơn.

Hình 2.10 Mặt cắt máy phát tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu

1: Cuộn dây 4: Nam châm vĩnh cữu

2: Vỏ sắt (back-iron) 3: Răng 5: Trục nối

2.3.2 Phân loại cơ bản của máy phát tuyến tính:

Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động, máy phát tuyến tính (Linear Engine Machine - LEM) có thể được phân loại thành hai kiểu đơn giản trong động cơ free-piston (FPE) Đầu tiên, ta xem xét hướng đường dẫn từ thông trong máy, trong đó mặt phẳng thông lượng bên trong máy có thể được xác định.

Thông lượng dọc (LF) là loại thông lượng mà mặt phẳng đường nằm dọc theo trục chuyển động, mang lại độ tin cậy cao nhờ vào cấu trúc đơn giản và chắc chắn Loại thông lượng này có đặc điểm nổi bật với mật độ lực cao và hiệu suất tối ưu.

Thông lượng ngang (TF) là khái niệm liên quan đến mặt phẳng đường thông lượng vuông góc với trục chuyển động, cho phép đạt được mật độ năng lượng cao và liên kết từ thông lớn Tuy nhiên, loại này có cấu trúc phức tạp và chi phí sản xuất cao Phương pháp phân loại thứ hai dựa trên vị trí của nam châm hoặc nam châm điện đối với các thành phần của máy, và có thể được chia thành ba cơ cấu chính.

- Cuộn dây di chuyển (MCM): trong đó thành phần chuyển động chỉ chứa cuộn dây phần ứng

Máy sắt chuyển động (MIM) là thiết bị có thành phần chuyển động được cấu tạo từ sắt nguyên chất, có thể là một phần hoặc toàn bộ, và hoạt động dựa trên kiểu mạch từ tính.

- Máy nam châm chuyển động (MMM): trong đó thành phần chuyển động chứa nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện trong cấu trúc của nó

Nhóm LM này có dòng thông lượng trong các mặt phẳng song song với máy và các trục chuyển động, như thể hiện trong Hình 2.12 Các kiểu LM này tạo ra một cấu trúc liên kết chung cho hầu hết các ứng dụng dẫn động trực tiếp từ động cơ xuống máy phát, bao gồm cả ứng dụng FPE.

Hình 2.11 Các đường thông lượng dọc trong một máy tuyến tính hình học trụ

Kiểu cuộn dây di chuyển (MCM) thông lượng dọc có ưu điểm là khối lượng di chuyển thấp, phù hợp cho các ứng dụng cần phản hồi nhanh và tần số hoạt động cao Tuy nhiên, việc sử dụng dây dẫn hoặc bộ chuyển đổi/chổi than linh hoạt để trích xuất công suất tạo ra yêu cầu bảo trì thường xuyên và hạn chế công suất định mức Do đó, MCM ít được áp dụng trong các ứng dụng năng lượng cao và biên độ hành trình dài Mặc dù vậy, các máy phát điện thông lượng dọc dạng ống đã được nghiên cứu cho động cơ đốt trong, cho thấy khối lượng phần dịch chuyển thấp và khả năng kiểm soát hệ thống, nhưng hiệu quả hoạt động ở tốc độ thấp vẫn chưa đạt yêu cầu so với MMM.

MIM với cấu trúc động cơ sắt nguyên chất nổi bật với sự mạnh mẽ, dễ sản xuất và bảo trì, cùng với nam châm được bảo vệ tốt, phù hợp cho cả hình học phẳng và hình ống Những đặc điểm này thúc đẩy ứng dụng trong các lĩnh vực tiêu tốn năng lượng, như vận chuyển tuyến tính và chuyển đổi năng lượng sóng Hình 2.12 minh họa các mẫu máy trong cả hai hình học này Thêm vào đó, các máy này lý tưởng cho các ứng dụng hành trình dài, đặc biệt khi di chuyển stator ngắn với khối lượng thấp, mang lại tính kinh tế cao hơn.

Hình 2.12 Các mẫu cấu hình của MIM (a) Hình ổng ; (b) Hình phẳng

1: Bộ dịch Translator 4: Vật liệu phi từ tính 2: Cuộn dây 5: Nam châm vĩnh cửu

3: Stator Trong các nghiên cứu khác người ta đã so sánh MIM với MMM, tất cả được tối ưu hóa về mặt kết cấu cho yêu cầu thiết kế và xếp hạng tại công suất 1kW Người ta thấy rằng MMM thì cho mật độ năng lượng cao hơn tại tốc độ máy thấp cũng như tần số hoạt động thấp Chính vì vậy mà các MMM với phân phối thông lượng LF đã được nghiên cứu rộng rãi bởi nhiều nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới, đặc biệt là với hình học hình ống

Trong máy thông lượng ngang, dòng chảy chính của từ thông diễn ra vuông góc với hướng di chuyển Cấu hình bộ chuyển đổi bao gồm nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt, cho phép từ thông thay đổi theo cả trục và chu vi của máy Cuộn stator được lắp ở hai bên bộ chuyển đổi, với chuỗi ách sắt nối tiếp nhau, tạo ra sóng từ thông tương tự như cách các cực động xen kẽ kích thích cuộn dây Kết quả là một đường từ thông ba chiều, giúp liên kết nhiều cuộn dây cùng lúc Máy thông lượng ngang có khả năng tạo ra ứng suất cắt cao, gần 200kN/m2 Tuy nhiên, việc lắp đặt các ách stator và cấu trúc từ thông ba chiều gây ra nhiều vấn đề cho cấu trúc hỗ trợ của máy, không cho phép sử dụng các thành phần sắt non hoặc vật liệu SMC Trong loại máy này, lực cogging xuất hiện, thể hiện xu hướng của nam châm tự sắp xếp theo con đường ít từ trở nhất, với giá trị đã được ghi nhận là 30kN/m2.

Hình 2.13 Mô hình 2D của máy từ thông ngang (TFM )

TFM được đặc trưng bởi mật độ công suất và mô-men xoắn cao hơn so với các máy thông thường, nhờ vào sự tương tác vuông góc giữa từ trường và tải điện Đặc tính vuông góc này ảnh hưởng tích cực đến máy, cho phép Volt-Ampere (VA) của máy có thể được nhân đôi bằng cách tăng số cực, như thể hiện trong Hình 2.14 Điều này đồng nghĩa với việc mức độ thay đổi của từ thông cũng tăng gấp đôi cho kích thước hình học theo chiều dọc đã định và với cùng một tốc độ.

Hình 2.14 Cấu trúc liên kết phẳng của TFLM với RM (a) Cấu trúc 3 cực, (b) Cấu trúc 6 cực

Sự can thiệp tiêu cực đến hành vi từ thông do tăng số cực cho một chiều dài cố định dẫn đến khoảng cách cực giảm, gây ra hai hậu quả chính Thứ nhất, điều này làm tăng sự rò rỉ ba chiều và giảm thông lượng, ảnh hưởng đến chi phí sản xuất khi sử dụng nam châm vĩnh cửu có từ tính kém Thứ hai, hệ số công suất thấp làm tăng yêu cầu về xếp hạng Volt-Ampere của bộ chuyển đổi điện, dẫn đến chi phí hệ thống cao hơn Mặc dù vậy, các đặc điểm tích cực đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu thiết kế máy thông lượng ngang (TFM) để ứng dụng trong động cơ free-piston FPE Để khắc phục vấn đề, việc sử dụng cực RM trung gian hoặc Z-TFM cùng với thay đổi hướng thông lượng đã được đề xuất Tuy nhiên, một nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng thiết kế này cần đường kính lớn hơn cho một xếp hạng cụ thể, mặc dù có sự cải thiện 35% về mật độ thông lượng hữu ích trong khe hở không khí Chính vì những ngần ngại này, nghiên cứu và phát triển máy thông lượng ngang đã bị hạn chế và không còn là ứng cử viên cho động cơ free-piston.

Nguyên lý hoạt động máy phát điện tuyến tính

Máy phát điện tuyến tính, giống như các động cơ điện và máy phát điện khác, bao gồm hai phần chính: phần ứng (stator) và phần cảm, với các nam châm vĩnh cửu là phần dịch chuyển Nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên cảm ứng điện từ theo định luật Faraday, trong đó sự thay đổi số đường sức từ của nam châm qua cuộn dây tạo ra dòng điện cảm ứng luân phiên Khi nam châm hoặc cuộn dây quay, dòng điện này sẽ đổi chiều một cách liên tục.

: là từ thông cho mỗi vòng cuộn dây điện từ trong thời gian t

= là hằng số không đổi ( ls là chiều dài hành trình piston và được cho nó là hằng số)

= v(t) là vận tốc chuyển động qua lại của translator

Giả sử phần dịch chuyển có chuyển động qua lại là dao động điều hòa ta có: x = A.sin(ω.t) = sin(ω.t) (2.2) v(t) = x’(t) = -ω .cos(ω.t) (2.3)

Khi nói đến dòng điện xoay chiều người ta thường nói đến giá trị hiệu dụng:

Hầu hết các máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên chuyển động quay, trong khi máy phát điện tuyến tính sử dụng chuyển động thẳng Khi một nam châm di chuyển gần một cuộn dây điện từ, từ thông qua cuộn dây sẽ thay đổi, tạo ra dòng điện Máy phát điện quay có nhiều ưu điểm hơn máy phát điện tuyến tính do không cần thay đổi chiều chuyển động Do đó, máy phát điện tuyến tính thường phải kết hợp với các thiết bị chuyển động thẳng như động cơ không trục khuỷu hoặc máy phát điện năng lượng sóng biển.

Tính toán máy phát điện tuyến tính 1 pha

Với cấu trúc đơn giản và khả năng dễ dàng trong việc xây dựng mô hình cũng như khảo nghiệm các đặc tính, luận văn này tập trung nghiên cứu máy phát điện tuyến tính một pha.

Giả định về mô hình máy phát điện:

Công suất đầu vào S in = 0,5 K VA

Vận tốc tối đa của translator (hay là biên độ tốc độ) v𝑟𝑚 (chuyển động theo hình sin) 

Vận tốc translator trung bình v av = v𝑟𝑚=0,63 m/s Điện áp cảm ứng pha: E ph = √

Tỉ lệ số khe/số cực/số pha: q =1

Mật độ từ thông trung bình trong khe hở không khí: Bg=0,8T

Hệ số mật độ từ thông không khí: C m = = 0.9

Với 𝐵𝑚 = 𝐵𝑔/𝐶𝑚 = 0.88 𝑇 là mật độ thông lượng khe hở không khí trong nam châm Khe hở không khí: g=0.0007(m)

Tải hiện tại (mật độ dòng tuyến tính của stator): J = 11500 A/m

Mật độ dòng điện: J w = 10 A/mm 2

Hệ số lắp đầy: K cu =0,3

Số mặt của máy phát điện: M s =2

Các công thức được trích dẫn từ [16]

3.1.1 Tính toán chiều rộng stator

Công suất đầu vào (𝑃𝑖𝑛) được xác định bằng phương trình dưới đây, trong đó các thất thoát về mặt cơ học đã được loại bỏ.

E ph : suất điện động cảm ứng pha (V )

Khi phần cảm dịch chuyển với vận tốc trung bình v𝑎𝑣 so với pha cuộn dây, suất điện động được cảm ứng Giá trị tối đa của suất điện động này đạt được khi mật độ thông lượng đạt mức tối đa 𝐵𝑚.

((𝑧) = 𝐵𝑚cos ( 𝑧) là những gì đã giả định :

Do đó suất điện động được trình bày như dưới:

Dòng điện pha có thể được trình bày dưới dạng tải điện J và được mô tả bởi phương trình:

Với: 𝑐 là số vòng dây của mỗi cuộn

Do đó dòng điện pha:

Số vòng dây N c trên mỗi cuộn có thể được trình bày dựa theo số vòng dây pha N ph trên mỗi pha, được tính theo công thức sau:

Kết hợp Phương trình 3.3, 3.5 và 3.6 để thay vào phương trình 4.6, ta có được:

3.1.2 Biên độ cực và biên độ răng:

Từ 𝜏𝑡 như được thể hiện ở hình ta có thể được tính toán cho chiều rộng khe 𝑏 s τ t = b t +b s (3.12)

Tỉ lệ giữa chiều rộng răng và khe: b t = b s (3.13)

Chiều rộng khe răng b s = 20 mm (3.14)

Tất cả thể hiện qua hình

Hình 3.1 Khe lõi stator 3.1.3 Tính toán thông số nam châm vĩnh cữu

Chọn nam châm NdFeB 35 có thông số: Br = 1,17T ; Hc = 868000 A/m

Khi chọn nam châm, độ dày của nam châm h m là yếu tố quan trọng, với h m = 10 mm sẽ mang lại thông lượng lớn như được mô phỏng trong phần 3.2 Độ dài của nam châm τm được tính theo công thức τ m = C m τ p, với C m = 1 và τ p = 40 mm, dẫn đến τ m = 40 mm.

3.1.4 Các thông số về cuộn dây trong máy phát điện:

Số vòng dây quấn ( 𝑝ℎ ) có thể xác định được từ phương trình:

Số vòng dây 𝑐 trên mỗi cuộn dây :

Diện tích mặt cắt của dây đồng Aw:

Thay thế 4.44 vào phương trình vào 4.42 ta có:

Chiều cao của khe hs:

Nếu khe mở hoàn toàn, diện tích mặt cắt ngang của khe bằng với diện tích mặt cắt của cuộn dây được cho bởi:

Khi As = Ac, từ phương trình 4.47 h s = 𝐴𝑐/𝑏𝑠 = 588/20 ≥ 29 mm (3.27) Điện trở pha Độ dài của 1 vòng dây Lc có thể tính bằng chu vi đáy của một khối răng

Trong đó a: Trung bình tiết diện tăng thêm

𝐿𝑐: Chiều dài của một vòng dây b t : chiều rộng răng

Nph : Số vòng của mỗi pha

Điện trở trên một km của dây đồng AWG 16 là R wpkm, trong khi điện trở pha Rph được xác định dựa trên dữ liệu thực tế của cuộn dây Thông tin chi tiết về các loại dây đạt tiêu chuẩn Mỹ được trình bày trong Bảng 3.1.

Tất cả các thông số tính toán được đính kèm trong Bảng 3.2

Bảng 3.2 Các thông số tính toán

- Độ dày vỏ stator Ys (mm)

- Chiều rộng khe bs (mm)

- Chiều rộng răng bt (mm)

- Chiều cao răng hs (mm)

- Thông lượng xuyên qua stator có thể chấp nhận

Thông số phần phần dịch chuyển (translator

- Chiều dài phần dịch chuyển (mm)

- Độ dày vỏ translator (mm)

- Thông lượng xuyên qua rotor

Thông số cuộn dây : - Biên độ tốc độ translator v rm

- Khe hở không khí g (mm)

- Số vòng/cuộn dậy Nc (vòng )

- Mật độ thông lượng cho phép trong khe hở không khí Bg (T)

- Hệ số lấp đầy khe Kcu

- Điện trở nội cuộn dây Ra (lý thuyết)

Thông số nam châm vĩnh cửu:

- Độ dày nam châm hm (mm)

- Chiều dài nam châm 𝜏𝑚 (mm)

Mô phỏng máy phát điện tuyến tính

Các nguyên tắc cơ bản của máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu liên quan nguyên lý từ trường và phương trình Maxwell Định luật Ampere:

: toán tử tính độ xoáy cuộn của trường vectơ

Mật độ từ thông B liên hệ với H qua công thức:

Nếu vật liệu phi tuyến, thì từ thẩm sẽ là một hàm của B: à (3.33)

Mật độ từ thông B liên quan tới vector từ thế A theo công thức:

Phương pháp phần tử hữu hạn (EFM) là một kỹ thuật số mạnh mẽ được sử dụng để giải quyết các phương trình tĩnh từ, đặc biệt là trong các bài toán có mối quan hệ B-H phi tuyến.

3.2.2 Mô phỏng 3D máy phát điện tuyến tính

Bằng cách sử dụng các thông số như kích thước lõi, phần dịch chuyển và thông số cuộn dây, chúng ta có thể xây dựng mô hình và xác định các thông số điện từ như mật độ phân bố điện từ và từ cảm Phần mềm Maxwell Ansoft V16 được áp dụng để giải quyết các vấn đề liên quan đến tĩnh từ, được mô tả thông qua các phương trình Maxwell.

Mô hình máy phát điện được trình bày trong Hình 3.3, với mật độ từ thông B đạt 2,9 T như thể hiện trong Hình 3.4 Dựa trên hiện tượng từ cảm, dòng điện sẽ được sinh ra khi có sự thay đổi của từ thông.

58 vòng tròn khép kính thể hiện ở phương và chiều của vectơ B Hình 3.3 Từ thông trung bình đi qua cuộn dây đạt được 1,2 T

Hình 3.3 Mô hình Maxwell 3-D máy phát điện tuyến tính

Hình 3.4 Phân bố mật độ từ thông trên bề mặt

Hình 3.5 Phương chiều Vector B 3.2.3 Tính toán điện cảm

Thông thường, phần mềm Maxwell 3-D sử dụng phương trình dòng điện và thông lượng sau đây để giải quyết vấn đề điện cảm

Khi chỉ có dòng điện i 1 , ma trận điện cảm sẽ như sau

] (3.37) λ: là liên kết từ thông được tạo ra bởi dòng điện

Vì là mô hình 1 pha nên kết quả mô phỏng chính điện cảm trong cuộn dây Hình

Mô phỏng công suất của máy phát điện tuyến tính 1 pha

Mô hình động học của máy phát điện tuyến tính của máy phát điện được giả định:

- Phần dịch chuyển được chuyển động với tốc độ không đổi theo hình sin

- Từ thông trung bình là không đổi khi nam châm lướt qua cuộn dây

- Máy phát được nối với điện trở tải R L = 3,5 .

Mục tiêu của mô phỏng là xác định tốc độ tạo ra điện áp và công suất phù hợp với tải điện trở R L, cụ thể là bóng đèn Để thực hiện điều này, chúng ta sẽ phân tích hiệu suất của máy phát điện 1 pha hoạt động với tốc độ không đổi thông qua việc sử dụng mạch tương đương như trong Hình 3.7.

Hình 3.7 Mạch tương đương của máy phát cho hoạt động trạng thái ổn định

Cách tiếp cận dựa trên các thông số tính toán ở phần 3.1

Hệ số Carter 𝐾𝑐 phải được tìm thấy để mà tính toán khe hở không khí tương đương [16]:

Mật độ thông lượng khe hở không khí được tính theo công thức: ỉ = (3.40)

Tớnh thẩm của khụng gian tự do à 0 được xỏc định là: à 0 = 4π ì 10−7 T.m / A Điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây: e = R.i + L s

Ls : độ tự cảm pha

V: điện áp đầu cuối của máy phát

V= i.R L (3.42) i : dòng điện của pha Điện áp cảm ứng pha chuyển động tịnh tiến: e ph = K E cos ( 𝑧 ).v(t) (3.43)

Trong đó z:chuyển vi của phần dịch chuyển

A khoảng dịch chuyển của phần dịch chuyển f :Tần số chuyển động của phần dịch chuyển v(t) :vận tốc của phần dịch chuyển v(t)= z’= 2.π.A.f.cos(2.π.f.t - ) (3.45)

Phương trình vi phân cho dòng điện pha

Mô phỏng công suất được thực hiện dựa trên chuyển động của phần dịch chuyển ở các tốc độ khác nhau Bằng cách giải phương trình vi phân 3.48 và sử dụng bảng thông số mô phỏng từ Bảng 3.3 kết hợp với phần mềm Matlab và hàm ode 45, chúng tôi đã thu được một số kết quả mô phỏng đáng chú ý.

Bảng 3.3 Các thông số mô phỏng công suất

Thông số phần phần dịch chuyển

- Thông lượng xuyên qua rotor có thể chấp nhận 𝐵 (T) theo mô phỏng maxwell V16

Thông số cuộn dây : - Biên độ tốc độ translator v rm

- Khe hở không khí g eq (mm)

- Từ thông trung bình qua cuộn

- Điện cảm trong cuộn dây Ls

- Cường độ từ trường cưởng bức

Thông số nam châm vĩnh cửu:

- Độ dày nam châm hm (mm)

- Chiều dài nam châm 𝜏𝑚 (mm)

Hình 3.8 Chuyển vị phần cảm (phần dịch chuyển) - Tốc độ 0,3 m/s

Hình 3.9 Dòng điện pha I(A) - Tốc độ 0,3 m/s

Hình 3.10 Điện áp pha U (V) - Tốc độ 0,3m/s

Hình 3.11 Công suất P (W)-Tốc độ 0,3 m/s

Khoảng dịch chuyển của phần dịch chuyển 40mm với vận tốc cao nhất  0,3m/s, tốc độ trung bình ≈ 0,19 m/s Hình 3.9 Dòng điện pha đạt được 0,6 A Hình 3.10 , điện áp đạt được

Công suất của máy phát đạt hơn 2,5W khi tốc độ dịch chuyển thấp, do phần dịch chuyển chuyển động theo quy luật hình sin, dẫn đến điện áp sinh ra cũng gần như theo quy luật này Để đạt được điện áp cần thiết, cần tăng tốc độ dịch chuyển.

Hình 3.12 Chuyển vị phần cảm (phần dịch chuyển)

Hình 3.13 Dòng điện pha I (A) - Tốc độ 0,5 m/s

Hình 3.14 Điện áp pha U (V) - Tốc độ 0,5 m/s

Hình 3.15 Công suất P(W)- Tốc độ 0,5 m/s

Khi tăng tốc độ lên 0,5 m/s, tốc độ trung bình ≈ 0,3 m/s Hình 3.11 Dòng điện tăng lên 1,5 A Hình 3.12, Điện áp tăng lên gần 12 V Hình 3.13 và công suất tăng lên hơn 15

Máy phát hoạt động với tốc độ trung bình 0,3 m/s có khả năng chiếu sáng bóng đèn 12V, 10W Khi tốc độ tăng từ 0,3 m/s lên 0,5 m/s, mặc dù sự tăng tốc không đáng kể, nhưng công suất máy phát lại tăng mạnh từ 2,5 W lên 15 W.

Ý tưởng thiết kế

Mô hình thực nghiệm hiện tại không thể tích hợp với động cơ không trục khuỷu, do đó một mô hình giả lập đã được phát triển, bao gồm các thành phần chính như starto và mover, được tính toán và mô phỏng chi tiết trong Chương 3.

Mô hình được thiết kế tách biệt với động cơ không trục khuỷu, đảm bảo khoảng dịch chuyển 40mm và khả năng chuyển động Ngoài các chi tiết chính, các chi tiết phụ cũng được tính toán và thiết kế để chịu lực và dẫn hướng, như thể hiện trong phần phụ lục Động cơ rời kéo máy thực hiện phần dịch chuyển thông qua cơ cấu bánh lệch tâm, với tốc độ động cơ được điều khiển qua biến tần.

Mô hình thiết kế được trình bày trong Hình 4.1, với các chi tiết chính được chế tạo chính xác theo thiết kế nhằm đảm bảo đầu ra về công suất, điện áp và dòng điện như đã được mô phỏng.

Hinh 4.1 Mô hình tổng quan máy phát điện tuyến tính

 Các chi tiết tạo động lực

Bài viết mô tả một chi tiết tạo động lực với biên độ dịch chuyển không đổi 40mm, sử dụng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền để chuyển đổi từ vận tốc tròn sang vận tốc dài, được trang bị motor 1,5.

Kw được sử dụng làm nguồn động lực và biến tần để điều chỉnh tốc độ Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến các chi tiết định hướng và chống xoay cho ống trượt linear, với bản vẽ minh họa được trình bày trong phần phụ lục.

Thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm được trình bày trong Hình 4.2, trong đó các sóng điện áp được đo ở các tần số 5Hz và 10Hz thông qua biến tần Đối với motor hoạt động ở tần số 50Hz, tốc độ đạt 1400 vòng/phút, tương đương với 23 vòng/giây.

Tần số 5Hz tương đương với 2,3 vòng mỗi giây, trong khi mỗi vòng của motor di chuyển 0,08m Điều này dẫn đến tốc độ trung bình 0,184 m/s do trục di chuyển theo hình sin Tương tự, tần số 10Hz cũng có những đặc điểm tương đồng.

Trong thí nghiệm, chúng tôi tiến hành theo hai chế độ: không tải và có tải Mục tiêu của chế độ không tải là xác định các đặc tính điện áp, bao gồm điện áp cao nhất và sự biến thiên điện áp theo tốc độ Trong khi đó, ở chế độ có tải, chúng tôi phân tích độ sụt áp và độ ổn định của điện áp phát ra Dựa trên các dữ liệu thu thập được, chúng tôi sẽ xác định vận tốc tối ưu cho máy phát để phù hợp với tải.

Máy đo xung X341Top có nhiệm vụ xuất ra biểu đồ xung điện áp theo các tốc độ khác nhau có thể điều khiển qua biến tần

Hinh 4.2 Mô hình máy phát điện tuyến tính

1- Motor; 2- biến tần; 3- Máy phát điện

Hinh 4.2 Biểu đồ xung ở chế độ không tải - 5Hz

Hinh 4.4 Biểu đồ xung ở chế độ không tải - 10Hz Ở tốc độ 5Hz Hình 4.8 và 10Hz Hình 4.9 – theo biến tần Điện áp tăng theo tốc độ từ 12V lên trên 40V Biểu đồ xung cho thấy tần số 5Hz với thời gian lấy mẫu 1 giây, phần dịch chuyển đi được hơn 2 chu kì bằng motor đi được 2,3 vòng/giây và tương tự 10Hz đi được hơn 4 chu kì motor đi được 4,6 vòng/giây, phù hợp với tính toán Từ biểu đồ xung cho thấy, khi nam châm vuông góc với cuộn dây điện áp bằng 0, điện áp không ổn định khi không tải

Hinh 4.5 Biểu đồ xung ở chế độ có tải - 5Hz

Hinh 4.6 Biểu đồ xung ở chế độ có tải - 10Hz

Bóng đèn UV công suất 10W khi kết nối với nguồn điện cho thấy hiện tượng sụt áp từ 4V đến 10V ở tần số 5Hz đến 10Hz, như thể hiện trong Hình 4.10 và Hình 4.11 Biểu đồ xung cho thấy điện áp ổn định hơn khi có tải Khi tốc độ tăng, điện áp cũng tăng ở cả hai chế độ tải và không tải, với mức tăng điện áp hơn hai lần trong khi tốc độ chỉ tăng gấp đôi Để đạt được công suất phù hợp khi có tải, cần điều chỉnh tốc độ.

So với kết quả mô phỏng, thực nghiệm thường có sai số do các thông số thực tế khác biệt với thông số tính toán Điều này xảy ra vì nhiều chi tiết trong mô hình sử dụng vật liệu có sẵn trên thị trường, dẫn đến chất lượng khó được đảm bảo Các thông số có thể sai sót bao gồm điện trở nội của cuộn dây đồng, từ thông lượng của nam châm vĩnh cửu, và từ thông qua khe hở giữa nam châm và cuộn dây Tuy nhiên, kết quả cho thấy các thông số này vẫn có thể chấp nhận được.