Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do

Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do Nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do

TỔNG QUAN

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nguồn dầu thô trên Trái đất đang cạn kiệt, cùng với mối lo ngại gia tăng về ô nhiễm môi trường và tiêu thụ nhiên liệu Điều này đã thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô và xe tải nỗ lực thiết kế và sản xuất những loại xe ít ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Năm 1995, Ivanhoe đã điều chỉnh dự đoán của Hubbert về sản lượng dầu, cho rằng sản lượng dầu thô sẽ tăng nhẹ đến năm 2010, sau đó giảm dần và đến năm 2050 chỉ còn khoảng 25% so với hiện tại Mặc dù đã có những nỗ lực sử dụng các nhiên liệu gốc hydrocacbon khác như khí nén tự nhiên (CNG) và khí hóa lỏng (LPG), nhưng trữ lượng dầu thô vẫn sẽ cạn kiệt Sự giảm sút trong sản xuất nhiên liệu sẽ dẫn đến giá nhiên liệu tăng cao, buộc xã hội phải tiết kiệm dầu mỏ và tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế.

Chất lượng không khí kém do khí thải phương tiện giao thông ở các đô thị đang trở thành mối quan tâm lớn, ảnh hưởng đến sức khỏe của cư dân Khói mù tại các thành phố lớn gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như hen suyễn, dị ứng và các bệnh hô hấp khác Để cải thiện chất lượng không khí và giảm thiểu nguy cơ cho sức khỏe, Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã thiết lập các tiêu chuẩn khí thải yêu cầu các nhà sản xuất xe sản xuất xe ít khí thải hơn, tương tự như các quy định tại Nhật Bản và Châu Âu.

Việt Nam đang trên đà phát triển kinh tế nhanh chóng và hướng tới mục tiêu trở thành một quốc gia công nghiệp Sự công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước đã thúc đẩy nền kinh tế, dẫn đến nhu cầu vận chuyển ngày càng tăng cao.

Vận chuyển hàng hóa ngày càng gia tăng qua đường biển, đường bộ và hàng không, với phương tiện giao thông đường bộ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển kinh tế Tuy nhiên, hoạt động vận chuyển này cũng gây ra tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường do lượng khí thải lớn, góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải tiến động cơ đốt trong truyền thống và phát triển các công nghệ năng lượng mới nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải và bảo vệ môi trường.

Xu hướng điện khí hóa trong ngành công nghiệp ô tô đã phát triển mạnh mẽ, với việc sử dụng năng lượng sạch như điện để giảm phát thải CO2 Sự xuất hiện của xe điện (Battery Electric Vehicles, BEV) là điều tất yếu, tuy nhiên, động cơ đốt trong vẫn sẽ tồn tại lâu dài, đặc biệt trong các xe lai sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV) kết hợp động cơ điện và động cơ xăng Động cơ điện sử dụng pin lithium-ion, trong khi động cơ xăng hoạt động như máy phát điện khi pin cạn kiệt, giúp mở rộng phạm vi hoạt động của xe Điều này khắc phục nhược điểm lớn nhất của xe điện về quãng đường di chuyển hạn chế, nhưng các yếu tố như tốc độ, phong cách lái và địa hình vẫn ảnh hưởng đến phạm vi hành trình.

Hiện nay, động cơ xăng sử dụng trong máy phát điện của xe plug-in hybrid trên toàn cầu chủ yếu là động cơ chu kỳ Atkinson Nhiều nhà sản xuất gọi đây là động cơ "van biến thiên", nhờ khả năng tăng thể tích kỳ dãn nổ và giảm thể tích kỳ hút nén, giúp tiết kiệm nhiên liệu hơn 10% so với động cơ xăng thông thường.

HVTH: Nguyễn Thái Học 3 cho biết, các nhà nghiên cứu đã phát triển một thế hệ động cơ điện và động cơ xăng mới để thay thế những mẫu cũ chưa đạt yêu cầu Động cơ pít-tông tự do, được nghiên cứu bởi nhiều nhóm trên toàn thế giới, có tiềm năng lớn khi kết hợp với máy phát điện tuyến tính Hệ thống này, được gọi là "Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do" (FPLG), hứa hẹn cung cấp một giải pháp máy phát điện nhỏ gọn và hiệu quả cho xe lai sạc điện (PHEV).

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Ngày nay, xe điện đang trở thành sự thay thế chính cho ô tô thông thường, nhưng hạn chế về công nghệ pin và phạm vi lái xe ngắn vẫn là những trở ngại lớn Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do (FPLG) được xem là giải pháp hiệu quả để mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện FPLG là một hệ thống phát điện hứa hẹn với thiết kế đơn giản và hiệu suất nhiệt cao, kết hợp động cơ đốt trong tuyến tính và máy điện tuyến tính, mang lại hiệu suất vượt trội so với động cơ pít-tông thông thường Với việc loại bỏ cơ chế trượt tay quay, FPLG có những ưu điểm như tỷ số nén thay đổi, kích thước nhỏ gọn và khả năng sản xuất năng lượng hiệu quả Tỷ số nén của FPLG có thể điều chỉnh linh hoạt nhờ vào khoảng cách giữa pít-tông và nắp xi lanh, cho phép sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như xăng, hydro và metan mà không cần thay đổi cấu trúc động cơ So với các bộ mở rộng phạm vi truyền thống, FPLG tích hợp giữa máy điện tuyến tính và động cơ pít-tông tự do, mang lại hiệu quả cao hơn.

Hệ thống HVTH của Nguyễn Thái Học 4 có khối lượng nhỏ và hiệu quả cao do giảm ma sát và tổn thất nhiệt Việc loại bỏ cơ chế tay quay và bánh đà giúp giảm đáng kể tổn thất ma sát, nhờ vào việc chuyển đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính và giảm số lượng linh kiện chuyển động Điều này dẫn đến ma sát tiếp xúc trong hệ thống thấp hơn Thêm vào đó, việc hoạt động không có trục khuỷu tạo ra hành trình mở rộng nhanh hơn, từ đó giảm tổn thất truyền nhiệt trong xi lanh.

Pít-tông di chuyển giữa TDC và BDC, với chuyển động được xác định bởi lực áp suất khí, lực điện từ và lực bật lại Để điều khiển chuyển động này, cần sử dụng bộ điều khiển FPLG, tích hợp các tham số của quá trình đốt cháy và các biến điều khiển của LEM Tuy nhiên, việc kiểm soát chuyển động của pít-tông vẫn là thách thức lớn nhất do có các biến thể theo chu kỳ và nhiễu loạn lớn trong quá trình đốt cháy LEM không chỉ là đơn vị đầu ra năng lượng mà còn là đơn vị điều khiển cho pít-tông, đòi hỏi độ tin cậy, độ chính xác và hiệu quả cao Mặc dù nhiều cấu trúc LEM đã được nghiên cứu và thiết kế, nhưng chưa có cấu trúc nào đáp ứng đầy đủ yêu cầu về đột quỵ ngắn, tần số cao và gia tốc cao.

Máy phát điện tuyến tính vẫn chưa được chú ý nhiều tại Việt Nam, dẫn đến các nghiên cứu và báo cáo về lĩnh vực này còn hạn chế Các nhóm nghiên cứu chủ yếu đến từ những trường đại học lớn như Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Đại học Bách khoa TP.HCM, và Đại học Bách khoa Hà Nội, tập trung vào máy phát điện tuyến tính cho động cơ pít-tông tự do trong ô tô Ngoài ra, Đại học Hàng hải Việt Nam cũng đang nghiên cứu máy phát điện xoay chiều tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu cho khai thác điện từ sóng biển Hiện tại, các nghiên cứu chủ yếu dừng lại ở giai đoạn tính toán thiết kế và mô phỏng bằng các phần mềm như Ansoft Maxwell, Matlab/Simulink, Ansys Symplorer, và FEMM.

Kể từ khi khái niệm FPLG được nhà nghiên cứu Canada Kos đề xuất vào những năm 1990, đã có nhiều cuộc điều tra được thực hiện Các FPLG được nghiên cứu thường được phân loại thành ba loại chính: xi lanh đơn, pít-tông kép và pít-tông đối nghịch.

Nhiều tổ chức, bao gồm Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR), Toyota Central R&D Labs Inc và Đại học Khoa học và Công nghệ Nam Kinh (NUST), đã tiến hành nghiên cứu về FPLG xi lanh đơn Tại DLR, Kock và cộng sự đã phát triển một FPLG xi lanh đơn hai kỳ với lò xo khí làm thiết bị hồi phục, cho phép tạo ra công suất điện khoảng 10 kW ở tần số 21 Hz, có thể tăng lên 25 kW khi tần số đạt 50 Hz Tại Toyota, Kosaka và cộng sự cũng phát triển một lò xo khí hai kỳ phục hồi với piston hình chữ W, giúp ngăn ngừa hiện tượng khử từ do quá trình gia nhiệt, cho phép hoạt động liên tục khoảng 4 giờ với sản lượng điện 10,4 kW và hiệu suất 36,2% Xu và Chang tại NUST đã phát triển một nguyên mẫu bốn thì với lò xo phục hồi cơ học, đạt công suất trung bình 2,2 kW và hiệu suất phát điện 32%.

FPLG kiểu pít-tông kép là một cấu hình phổ biến được nghiên cứu bởi nhiều học viện, bao gồm Viện Công nghệ Hoàng gia (KTH), Đại học Tây Virginia (WVU), và Đại học Giao thông Thượng Hải (SJTU) Tại KTH, Hansson và cộng sự đã phát triển một nguyên mẫu FPLG pít-tông kép với công suất định mức gần 29 kW và hiệu suất trung bình đạt 23% Nghiên cứu của họ chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế máy điện tuyến tính cho FPLG Đồng thời, Shoukry và cộng sự tại WVU cũng đã thiết lập một nguyên mẫu hai thì pít-tông kép có khả năng tạo ra công suất đáng kể.

HVTH: Nguyễn Thái Học 6 đạt công suất đầu ra tối đa 316 W với tần số 23,1 Hz Nghiên cứu của Xiao và các đồng nghiệp tại SJTU về FPLG pít-tông kép đã dẫn đến việc phát triển một nguyên mẫu, trong đó các đặc điểm chuyển động của nguyên mẫu này đã được phân tích một cách tỉ mỉ.

Mikalsen và cộng sự tại Đại học Newcastle đã tiến hành nghiên cứu hệ thống về cấu hình FPLG pít-tông kép, bao gồm thiết kế, mô hình hóa, mô hình hóa nhiệt động lực học và các chiến lược điều khiển Gần đây, Roskilly đã hợp tác với Jia et al tại BIT để phát triển một nguyên mẫu hai piston, ước tính có khả năng tạo ra công suất điện 3,76 kW với hiệu suất đạt 34,5%.

Nghiên cứu về FPLG pít-tông đối nghịch đã được thực hiện bởi Van Blarigan và cộng sự tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia (SNL), nơi họ phát triển một nguyên mẫu pít-tông đối nghịch với mục tiêu thiết kế FPLG 30 kW cho pin nhiên liệu trong xe điện hybrid Họ nhận thấy rằng việc điều khiển đồng bộ FPLG pít-tông đối nghịch gặp nhiều khó khăn hơn so với các loại pít-tông đơn và pít-tông kép.

Dựa trên các nghiên cứu trước đây, FPLG xi lanh đơn cho thấy khả năng kiểm soát hoạt động ổn định tốt hơn so với pít-tông kép và pít-tông đối nghịch, khiến nó trở thành một thiết kế tiềm năng với thiết bị hồi phục lò xo khí Tuy nhiên, việc duy trì hoạt động ổn định trong thời gian dài vẫn là thách thức lớn, không chỉ do thiếu chiến lược kiểm soát hiệu quả mà còn do thiết kế hệ thống không phù hợp Để khắc phục vấn đề này, Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) đã phát triển thiết kế máy phát điện tuyến tính dạng phẳng kết hợp với công nghệ động cơ “đối đỉnh” trên động cơ pít-tông tự do Nguyên tắc hoạt động cơ bản là năng lượng từ nhiên liệu được chuyển đổi qua chu trình đốt trong hai kỳ, tạo ra áp suất để di chuyển pít-tông, trong khi lò xo khí lưu trữ năng lượng để đảo ngược chuyển động của pít-tông, từ đó khai thác năng lượng giải phóng trong bộ đốt.

Máy phát điện tuyến tính HVTH: Nguyễn Thái Học 7 hoạt động hiệu quả trong cả giai đoạn giãn nở và nén Thiết bị này bao gồm một động cơ được trang bị nam châm vĩnh cửu cùng với các cuộn dây cố định trong vỏ, tạo thành stator.

DLR đang phát triển một hệ thống động cơ pít-tông tự do với hai pít-tông đối nghịch nhằm bù đắp hoàn toàn các lực khối lượng sinh ra từ chuyển động dao động của pít-tông Sự đồng bộ hóa thích hợp giữa các đơn vị pít-tông là chìa khóa để đạt được mục tiêu này, ví dụ như trong cách sắp xếp được thể hiện trong hình 1.1.

Mô-đun FPLG bao gồm các thiết kế chính như: a) Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế buồng đốt đơn, b) Thiết kế lò xo khí trung tâm, c) Thiết kế buồng đốt trung tâm, và d) Thiết kế buồng đốt trung tâm với lò xo khí tích hợp.

Sự kết hợp giữa máy phát tuyến tính và lò xo khí trong hình 1.1 tạo ra hai đơn vị đốt riêng biệt, mang lại khả năng giảm hiệu quả cho hệ thống.

MỤC TIÊU

Tìm ra các thông số cơ học tối ưu của máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Các thông số thiết kế, hiệu suất của máy phát điện tuyến tính

Phạm vi nghiên cứu: Máy phát điện tuyến trên động cơ pít-tông tự do.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp tổng quan cho thấy rằng các nghiên cứu về máy phát điện tuyến tính động cơ pít-tông tự do đã được thực hiện, từ đó xác định đối tượng nghiên cứu và tiến hành mô phỏng số nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng của công nghệ này.

Phương pháp lý thuyết: Dựa trên cơ sở lý thuyết máy phát điện tuyến tính Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hinh toán và mô phỏng

Phương pháp xử lý số liệu: Dựa trên số liệu kết quả mô phỏng để đánh giá, so sánh với các bài báo liên quan.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Chương 1 Tổng quan: Trình bày về tính cấp thiết của đề tài; tình hình nguyên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Trình bày các cơ sở lý thuyết, các cấu hình cơ bản của máy phát điện tuyến tính, mô hình máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cữu trong phần mền Ansys Maxwell

Chương 3 Tính toán thiết kế máy phát điện tuyến tính: Thảo luận thông số đầu vào, từ đó tính toán xác định các kích thước ban đầu của lõi máy phát điện và sau đó tối ưu các thành phần tĩnh và phần động của máy phát Thiết kế và mô phỏng máy phát điện tuyến tính trên Ansys Maxwell

Chương 4: Các kết quả và thảo luận: Xuất ra các kết quả mô phỏng và kết luận kết quả mô phỏng

Chương 5: Kết luận và kiến nghị: Kết luận đề tài và các kiến nghị phát triển nghiên cứu trong tương lai về máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

NĂNG LƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Khi từ trường biến thiên trong một mạch kín, nó sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện - từ, trong đó dòng điện cảm ứng xuất hiện do sự thay đổi của từ trường.

2.1.1 Các định luật hiện tượng cảm ứng điện từ

Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong mạch kín cho thấy có một suất điện động cảm ứng 𝑒 tồn tại trong mạch Qua việc phân tích kết quả thực nghiệm, Faraday đã xác định được biểu thức của suất điện động cảm ứng.

Sự biến đổi từ thông ϕ qua mạch kín là nguyên nhân gây ra dòng điện cảm ứng Để dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch điện kín, cần có một trong hai điều kiện: mạch kín phải đứng yên trong từ trường biến thiên hoặc mạch kín phải chuyển động trong từ trường.

Định luật Lenz quy định rằng dòng điện cảm ứng sẽ có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến đổi của từ thông Điều này cho phép xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong bất kỳ mạch kín nào khi có sự biến thiên của từ thông qua mạch đó.

Suất điện động cảm ứng:

N: số vòng dây Δϕ: lượng từ thông biến thiên qua cuộn dây Δt: khoảng thời gian biến thiên

2.1.2 Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm

Các linh kiện như relay và solenoid thường có chiều dài dây quấn lớn hơn nhiều lần so với đường kính lõi cuốn Mật độ từ thông, ký hiệu là B, được tính toán theo công thức cụ thể.

B =μ 0 Ni l Trong đó: à0: là độ từ thẩm của chõn khụng N: số vòng quấn i: dòng điện qua cuộn dây l: chiều dài dây quấn

Từ đây ta có công thức tính cho tổng từ thông trong cuộn dây: Φ = μ 0 NiA l Với A tiết diện mặt cắt ngang của lõi cuốn

2.1.2.1 Hiện tượng tự cảm

Hiện tượng tự cảm là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một mạch điện kín khi dòng điện trong mạch biến thiên

Khi dòng điện trong một cuộn dây thay đổi, nó sẽ tạo ra sức điện động tự cảm trong cuộn dây, có tác dụng chống lại sự biến thiên của dòng điện Độ lớn của sức điện động này tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của dòng điện.

Suất điện động tự cảm:

𝑒 tc = −LΔi Δt L: hệ số tự cảm (H)

Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho suất điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua

Công thức tính độ tự cảm của cuộn dây hình trụ tròn

L: là hệ số tự cảm của cuộn dây, đơn vị là Henry (H)

N: là số vòng dây của cuộn cảm

L: chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m)

A: là tiết diện của lõi, tính bằng mét (m) A=π.r 2 à0: là độ từ thẩm của chõn khụng

Hình 2.1 Cấu trúc cuộn dây

2.1.2.3 Hiện tượng hỗ cảm

Hiện tượng hỗ cảm xảy ra khi cường độ dòng điện trong các mạch biến đổi, dẫn đến từ trường do mỗi mạch sinh ra cũng thay đổi Sự thay đổi này gây ra dòng điện cảm ứng trong các mạch, được gọi là dòng điện hỗ cảm.

Hình 2.2 Hiện tưởng hỗ cảm

Khi các mạch điện được đặt trong môi trường không sắt từ, suất điện động hỗ cảm suất trong mạch sẽ tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch khác.

𝑑𝑡 Trong đó 𝑒 ℎ𝑐1 và 𝑒 ℎ𝑐2 là suất điện động hỗ cảm trong mạch 1 và mạch 2 Φ1 là từ thông do mạch 2 gởi qua mạch 1 Φ2 là từ thông do mạch 1 gởi qua mạch 2

M là hệ số hỗ cảm giữa hai mạch (1) và (2), có đơn vị là Henry (H)

2.1.3 Năng lượng điện cảm

Hình 2.3 Năng lượng từ trường Ở thời điểm t=0, khóa K mở do đó trong mạch không có dòng điện Khi khóa

K đóng thì trong mạch xuất hiện dòng điện I và tăng trưởng nhanh, khi đó theo định luật Kirchoff ta có:

𝑒 0 − iR − Ldi dt = 0 Nhân hai vế cho idt ta có:

𝑒 0 dt = Ri 2 dt + Lidi Trong đó:

𝑒 0 dt: năng lượng do nguồn sinh ra trong thời gian dt

Ri 2 dt: phần điện năng chuyển sang nhiệt trên R Lidi: phần điện năng tiềm tàng trong cuộn dây dưới dạng năng lượng từ trường Gọi WL là năng lượng của cuộn dây, ta có:

W L = Lidi Lấy tích phân trong khoảng thời gian từ lúc đầu (t=0) đến khi dòng điện trong mạch đạt giá trị ổn định I, ta được:

2LI 2 Như vậy năng lượng điện cảm được tích trữ trong cuộn dây là

CÁC CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH

Sự thành công của FPLG phụ thuộc vào sự phát triển của bộ truyền động điện, cho phép chuyển đổi chuyển động tuyến tính với tần số và biên độ thay đổi thành năng lượng điện Giải pháp truyền động trực tiếp, bao gồm máy phát tuyến tính và bộ chuyển đổi năng lượng (LEM), là thiết kế tích hợp giúp điều khiển chuyển động của piston và sản xuất điện LEM đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, đồng thời có thể hoạt động như một động cơ để khởi động và duy trì tỷ số nén qua điều khiển vị trí Trong quá trình thiết kế, hiệu suất và công nghệ sản xuất LEM cần được xem xét kỹ lưỡng Nghiên cứu cho thấy khối lượng di chuyển thấp là yếu tố then chốt để nâng cao tần suất hoạt động và tối ưu hóa hiệu quả, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu Ngoài hiệu suất cao và khối lượng di chuyển thấp, LEM còn cần có mật độ năng lượng cao, độ tin cậy tốt, hiệu suất động cao và cấu trúc đơn giản.

Giống như các máy phát điện chuyển động quay vòng, máy phát điện tuyến tính cũng hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday

𝑒 =𝑑𝜆 𝑑𝑡 Đó là, một điện áp 𝑒 được cảm ứng trong một cuộn dây nếu liên kết từ thông

𝜆 của nó thay đổi theo thời gian t Do đó, LEM có thể thuộc một trong các loại sau:

(i) Kiểu cuộn dây di chuyển

(ii) Loại nam châm chuyển động (hoặc nam châm điện)

(iii) Di chuyển loại sắt

Các loại khác nhau có ưu điểm và nhược điểm, và được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong hình 2.1, 2.1 và 2.3 tương ứng

Hình 2.4 Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển [2]

Cuộn dây LEM di chuyển cần dây dẫn linh hoạt, dễ hao mòn, đặc biệt trong máy công suất cao Một ví dụ điển hình là loa phóng thanh Tuy nhiên, cuộn dây di chuyển không phù hợp cho việc tạo ra năng lượng đáng kể Như hình 2.1 đã chỉ ra, LEM này có khe hở không khí lớn.

Một số thiếu sót của LEM nam châm chuyển động bao gồm: trường rò rỉ nam châm lớn, tiếp xúc với PM gây rung động liên tục có thể làm mất điện từ, hạn chế khả năng chuyển đổi năng lượng do chiều dài hành trình và chiều dài nam châm, độ dày nam châm theo khe hở không khí, và kích thước nam châm bị giới hạn bởi khối lượng của thành phần chuyển động.

Hình 2.5 Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động [2]

Hình 2.6 Máy phát điện tuyến tính sắt chuyển động [2]

LEM sắt di chuyển có độ chắc chắn và nhiều ưu điểm, tuy nhiên, chúng thường nặng hơn so với các loại khác Bài viết này sẽ tập trung vào việc thảo luận về LEM nam châm di chuyển.

LEM sắt di chuyển & Cuộn dây di chuyển, ít được quan tâm thực tế, sẽ không được xem xét ở bài viết này.

MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM CHUYỂN ĐỘNG

Máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLEM) là sự lựa chọn tối ưu cho các hệ thống LEM nhờ vào hiệu suất vượt trội và tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao.

Có nhiều cấu hình nam châm khả thi cho máy phát điện tuyến tính, trong đó hai cấu trúc liên kết nổi bật được thể hiện trong hình 2.5 và 2.7 Hình 2.5 mô tả cấu trúc với nhiều nam châm, trong khi hình 2.7 trình bày cấu trúc chỉ sử dụng một nam châm di chuyển.

Máy phát điện tuyến tính hoạt động theo những nguyên tắc giống nhau, và để phân tích, chúng ta sẽ tập trung vào một nam châm chuyển động duy nhất như mô tả trong Hình 2.7 Các nam châm cuối mỏng được sử dụng như nam châm "lò xo" giúp đưa động cơ trở về vị trí trung tâm.

Hình 2.7 Một máy phát điện tuyến tính nam châm đơn với nam châm lò xo [2]

Bước đầu tiên trong việc phân tích và thiết kế máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu (PMLE) là xác định trường khí do nam châm tạo ra Mặc dù phân tích phần tử hữu hạn cho kết quả chính xác, phương pháp mạch từ cũng cung cấp kết quả gần đúng chấp nhận được cho các ứng dụng thực tiễn Bỏ qua độ bão hòa và rò rỉ, chúng ta có thể xác định trường khí tại vị trí nam châm như trong Hình 2.8.

Bỏ qua sự miễn cưỡng của cốt lõi, luật của Ampe mang lại

Hình 2.8 Nam châm ở một vị trí nhất định [2]

Giả sử nam châm đất hiếm, đặc tính khử từ của chúng có thể được viết:

Các ký hiệu khác nhau trong (2.15) và (2.16) được định nghĩa như sau:

𝐵 𝑚 = Mật độ từ thông hoạt động của nam châm vĩnh cửu (T)

𝐻 𝑚 = Cường độ từ trường hoạt động của nam châm vĩnh cửu (A/m)

𝐵 𝑟 = Mật độ từ thông dư (T)

𝜇 𝑟𝑐 = Độ thẩm thấu từ thông của cuộn dây (H/m)

𝐵 𝑔 = Mật độ từ thông đi qua khe hở không khí (T)

𝐻 𝑔 = Cường độ từ trường đi qua khe hở không khí (A/m)

ℎ 𝑚 = Độ dày của nam châm chính (m)

ℎ 𝑠 = Độ dày của nam châm lò xo (được hỗ trợ bởi lõi sắt)

−1 Đã xác định được mật độ thông lượng airgap tối đa, chúng tôi viết suất điện động cảm ứng E:

𝐸 = 4.44𝑓𝐵 𝑚 𝐴 𝑔 𝑁 Trong đó: 𝑓 = Tần số chuyển động (của nam châm chuyển động)

𝐴 𝑔 = Diện tích bề mặt của nam châm, m2

N = Tổng số vòng quấn trên stato

Mật độ thông lượng không khí tối đa (B m) được xác định để hiểu rõ hơn về hiệu suất của máy phát điện Để đánh giá các đặc tính này, cần xem xét các thông số khác nhau của PMLA, trong đó độ tự cảm từ hóa (Lm) đóng vai trò quan trọng.

𝐷 𝑚 = Đường kính trung bình của cuộn dây, m

HVTH: Nguyễn Thái Học 28 và các biểu tượng khác đã được xác định trước đó Để hiểu rõ hơn, hãy tham khảo các ký hiệu trong hình 2.9, trong đó độ tự cảm rò rỉ được trình bày một cách chi tiết.

3𝑏 𝑠𝑜 𝜋𝐷 0 Cuối cùng, tự cảm đồng bộ 𝐿 𝑠 , được viết thành:

Hình 2.9 Hình học và kích thước của máy phát điện [2]

Để đạt được quy định điện áp hiệu quả, tụ điện "điều chỉnh" đôi thường được sử dụng để bù cho phản ứng đồng bộ trong mạch tương đương của PMLM Hình 2.10 minh họa cấu trúc mạch này, cho phép chúng tôi xác định tình trạng hoạt động của một máy phát điện xoay chiều cụ thể.

MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM VĨNH CỮU

Khi xác định các thông số cuộn dây và kích thước lõi, việc mô hình hóa và xác định các thông số cơ điện của máy phát điện trở nên rất quan trọng Để thực hiện điều này, phần mềm Maxwell Ansoft v12 được sử dụng nhằm giải quyết các vấn đề tĩnh từ, được mô tả thông qua các phương trình vi phân Maxwell.

Các phương trình Maxwell bao gồm các phương trình được suy ra trước đó cho các hiện tượng điện và từ Một trong số đó là, Định luật Ampere:

∇ × 𝐻 = 𝐽 Trong đó, J – Cường độ dòng điện

H – Cường độ điện trường Theo luật Gauss:

∇ × 𝐵 = 0 mật độ từ thông B có thể liên quan đến H như sau:

B = 𝜇 𝐻 Nếu nó là vật liệu phi tuyến, độ từ thẩm là một hàm của B:

𝜇 = 𝐵 𝐻(𝐵) Mật độ từ thông B có thể được biểu thị theo biểu thức vector A như sau:

Do đó, từ phương trình 2 1 và 2 2:

∇ × ( 1 𝜇(𝐵)∇ × 𝐴) FEM là một phương pháp số cho phép giải phương trình (2.6) được sử dụng cho các bài toán tĩnh từ với các mối quan hệ B - H phi tuyến

2.4.2 Lập mô hình bằng Chương trình MAXWELL 16v

2.4.2.1 Giới thiệu về Ansys Maxwell

Maxwell là phần mềm tương tác sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để giải quyết vấn đề tĩnh từ tính 3D, phục vụ cho việc thiết kế và phân tích mô hình máy điện Một trong những lợi ích nổi bật của ANSYS Maxwell là khả năng tự động hóa quá trình tính toán, cho phép người dùng chỉ cần xác định hình học, tính chất vật liệu và đầu ra mong muốn.

Maxwell tự động tạo ra lưới phù hợp, hiệu quả và chính xác để giải quyết vấn đề, giúp quá trình chia lưới tự động thích ứng và loại bỏ sự phức tạp trong phân tích Điều này cho phép người dùng thao tác nhanh hơn với thiết kế dòng hiệu quả cao và dễ sử dụng.

Hình 2.11 Hình ảnh về ANSYS Maxwell 16

Quản lý dự án: khu vực này chứa danh sách thiết kế và liệt kê các cấu trúc của dự án Quản lý thông điệp: cho phép người dùng xem tất cả các lỗi và cảnh báo trước khi bắt đầu mô phỏng.

Property window: hiển thị và cho phép bạn thay đổi các thông số hoặc thuộc tính Progress window: hiển thị tiến trình mô phỏng

3D modeler window: khu vực chứa model và danh sách model

Hình 2.12 Giao diện của Maxwell

2.4.2.3 Các bước để hoàn thành một dự án trên Maxwell

Khi đã khởi động Maxwell, ta chọn kiểu mô hình cần mô phỏng phù hợp Kích chuột phải Project1* sau đó hiện bảng sau:

Lựa chọn kiểu mô hình phù hợp 3D, 2D để tiến hành vẽ và RMxprt ( kiểu mô hình có sẵn của Maxwell)

Chọn phương thức giải thích hợp dựa trên yêu cầu của bài toán, có thể là từ tính hoặc điện tính Để thực hiện, truy cập vào Maxwell 3D, chọn loại giải pháp tại mục Solution Type và tham khảo bảng hiển thị.

HVTH: Nguyễn Thái Học 32 Quá trình hoàn thành bài toán được thực hiển và hiển thị các bước trên Project

• Maxwell3Ddesign1 là kiểu mô hình 3D

• Transient là dạng Sollution Type, ở đây là phương pháp giải kiểu mô hình có chuyển động tròn hoặc tuyến tính

• Model: có thể thiết lập kiểu, biên độ, hướng và tốc độ di chuyển của mô hình

• Boundaries: thiết lập những điều kiện biên với mô hình như cách điện, master – slave, đối xứng hoặc từ trường bằng không

• Excitations: thiết lập các kích thích tại Coil Terminal (đầu cực cuộn dây), cài đặt số vòng dây, chiều dòng điện, …

• Parameters: các thông số liên quan đến Lực và Momen

• Mesh operations: phân tích lưới, đa điểm với các đối tượng cần mô phỏng trong mô hình

• Analysis: cài đặt phương thức tính toán, quãng thời gian và bước thời gian mô phỏng

Design automation: Optimetrics, tối ưu hóa các tham số, thống kế

Sau khi thiết lập đầy đủ các thông số cần thiết, bạn hãy kiểm tra lại bằng cách vào Maxwell 3D và chọn Validation check Nếu không phát hiện lỗi nào, tiếp theo bạn chọn Maxwell 3D và Analyze All để phần mềm tiến hành mô phỏng.

Khi phần mềm mô phỏng xong, ta xem và phân tích kết quả trong phần Design result của Project Manager

Design result: hiển thị các kết quả

• Results: hiển thị các biểu đồ và bảng dữ liệu

• Field overlays: hiển thị các hình ảnh trực quan cùng màu sắc về mật độ, độ lớn, hướng cùng mô hình

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH

ĐIỀU KIỆN BIÊN

3.1.1 Nhu cầu điện năng trên một chiếc xe lại sạc điện

Thiết kế đầu ra của FPLG được xây dựng dựa trên cấu hình tốc độ trong Chu trình lái xe châu Âu mới (NEDC), áp dụng cho xe ô tô cỡ trung, loại xe chiếm tỷ lệ lớn trong số các phương tiện giao thông tại châu Âu.

Hình 3.1 Năng lượng điện cần thiết trong chu kỳ lái xe mới của châu Âu [4]

Biểu đồ mô phỏng nhu cầu năng lượng trong Chu kỳ lái xe Châu Âu mới (NEDC) cung cấp thông tin về công suất cần thiết cho động cơ xe, là giá trị tham chiếu quan trọng cho thiết kế các khái niệm FPLG Chu kỳ này được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn đầu kéo dài 780 giây với bốn lần lặp lại chu trình lái xe trong đô thị, trong đó nhu cầu điện năng cao nhất đạt khoảng 20 kW Giai đoạn thứ hai diễn ra khi xe chạy thêm một vòng đô thị với tốc độ tối đa 120 km/h, yêu cầu công suất cực đại không vượt quá 50 kW Phân tích này cho thấy rằng bộ phận phát điện của bộ mở rộng phạm vi trên xe hybrid sạc điện PHEV chỉ cần công suất 50 kW hoặc ít hơn, tùy thuộc vào kích thước dung lượng lưu trữ.

HVTH: Nguyễn Thái Học 35 trang bị hệ thống trữ điện, giúp vượt qua tiêu chuẩn NEDC Đặc biệt, với pin có dung lượng lớn hơn, công suất đầu ra của FPLG có thể được thiết kế dưới 50 kW, mang lại hiệu suất tối ưu hơn.

Hình 3.2 Công suất cần thiết để lái xe với tốc độ không đổi [4]

Hệ thống FPLG với công suất 20 kW có khả năng duy trì tốc độ liên tục khoảng 120 km/h, trong khi công suất cực đại cần thiết theo NEDC là 50 kW, cho thấy rằng xe có thể đạt tốc độ ổn định.

Hệ thống FPLG với công suất 100 kW có khả năng đạt tốc độ tối đa lên tới 200 km/h, đồng thời cung cấp đủ gia tốc ở tốc độ thấp mà không cần sử dụng năng lượng từ pin.

Theo kết quả phân tích từ hình 3.1 và 3.2, hệ thống FPLG 30 kW đáp ứng đủ yêu cầu để duy trì tốc độ liên tục khoảng 135 km/h theo Chu kỳ Lái xe Châu Âu Mới (NEDC).

[10], được giả định cho thiết kế của máy phát điện tuyến tính trong bài viết này

3.1.2 Cấu hình mô – đun FPLG thiết lập

Nghiên cứu của Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức cho thấy việc tích hợp lò xo khí ở phía sau piston đốt có thể giảm chiều dài và nâng cao hiệu suất nhiệt, đồng thời mang lại lợi thế về sự đồng bộ hóa giữa hai bộ piston DLR đang phát triển hệ thống FPLG với buồng đốt trung tâm, ứng dụng cấu trúc máy phát điện tuyến tính, điều này cũng tạo nền tảng cho thiết kế máy phát điện tuyến tính trong động cơ pít-tông tự do.

Hình 3.3 Cách bố trí máy phát điện tuyến tính trên xe của DLR [11]

Hệ thống FPLG được thiết kế với một cặp module máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do đối đỉnh, như minh họa trong hình 1.15 Mỗi xe ô tô sẽ trang bị hai hệ thống FPLG, theo hình 3.3 Mỗi module máy phát điện có công suất thực tế khoảng 7.5 kW, trong khi công suất mong muốn để tính toán các thông số máy phát điện là 10 kW.

TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ

Công suất mong muốn của hệ thống là 10.000 kW với hệ số công suất cosφ gần bằng 1, cho thấy mạch điện máy phát điện có tải giả định là mạch RL với L rất nhỏ, dẫn đến công suất biểu kiến S = 10.000 VA Điện áp cảm ứng pha được tính toán là E_ph = 120/√3 = 40√3 V Để minh họa chi tiết phương án thiết lập thông số đầu vào cho máy phát điện tuyến tính, bài viết sử dụng thiết kế FPLG 30 kW với hành trình S = 120 làm ví dụ theo Chu trình lái xe châu Âu mới (NEDC).

- Tỷ lệ số khe/cực/pha q = 1/3;

- Mật độ từ thông khe hở không khí 𝐵 𝑔 = 0.8 T;

- Hệ số mật độ từ thông không khí 𝐶 𝑚 = 𝐵 𝑔 /𝐵 𝑚 = 0.9, với 𝐵 𝑚 là mật độ từ thông cực đại;

- Khe hở không khí g = 2 mm;

- Mật độ từ thông trong lõi stator 𝐵 𝑦 𝑠 = 1.8 T;

- Mật độ từ thông trong lõi translator 𝐵 𝑦 𝑟 = 1.2 T;

- Tải dòng điện (mật độ dòng tuyến tính của stator) J = 100 KA/m;

- Mật độ dòng điện 𝐽 𝑤 = 5 A/mm 2 ;

- Số mặt của máy phát điện là 𝑀 𝑠 = 4;

Công suất biểu kiến Sin khi bỏ qua các tổn thất cơ học được đưa ra theo phương trình:

Với 𝐸 𝑝ℎ là điện áp tạo ta mỗi pha;

𝐼 𝑝ℎ là dòng điện trong mỗi pha

Khi nam châm di chuyển với tốc độ trung bình 𝑣 𝑎𝑣 đối với cuộn dây pha, sẽ xảy ra hiện tượng sức điện động cảm ứng Giá trị cực đại của sức điện động này phụ thuộc vào mật độ từ thông cực đại 𝐵 𝑚, được tính bằng công thức 𝐵(𝑧) = 𝐵 𝑚 𝑐𝑜𝑠(𝜋).

Do đó sức điện động 𝐸 𝑝ℎ :

Trong đó cường độ dòng điện pha I được tính:

Số vòng dây trên mỗi khe 𝑁 𝑐 có thể được biểu thị theo số lượng vòng trên mỗi pha Nph được tính như sau

Từ các phương trình (3.1), (3.4), (3.5) và (3.6) ta có

Công suất đầu vào 𝑆 𝑖𝑛 là

Do đó, chiều dài của stator 𝐿 𝑠 là:

3.2.2 Độ rộng của cực và khoảng cách của khe Độ rộng của cực 𝜏 𝑝 là:

Khoảng cách của khe 𝜏 𝑡 là:

3.2.3 Kích thước khe và răng Độ rộng khe 𝑏 𝑠 có thể được tính từ 𝜏 𝑡 (Với điều kiện số răng và số khe trên Stator là bằng nhau)

2𝑏 𝑠 , độ rộng của khe 𝑏 𝑠 là:

3∗ 0.033 = 0.022 (𝑚) Nhưng ở đây bài toán thiết lập số răng lớn hơn số khe khi là 1 răng, nên suy ra độ rộng của răng 𝑏 𝑡 :

130.033 = 0.010154 (𝑚) (3.15) Công thức (3.13) được viết lại như sau:

3.2.4 Kích thước nam châm vĩnh cửu

Chọn loại nam châm NdFeB 35 với các thông số:

Hệ số Carter 𝐾 𝑐 được dùng để tính toán khe hở không khí tương đương 𝑔 𝑒𝑞

Bề dày của nam châm ℎ 𝑚 :

3.2.5 Kích thước thành phần cảm và phần ứng Độ dày thành stator 𝑌 𝑠 :

3.2.6 Thông số cuộn dây máy phát điện

Số vòng dây trên mỗi pha 𝑁 𝑝ℎ được tính dựa vào phương trình (3.3)

Số vòng trên mỗi cuộn 𝑁 𝑐

48∗ 1 3 = 50 (vòng) Với việc mắc dây hình sao thì giá trị của cường độ dòng điện:

3∗244 = 13.66 (A) Tiết diện của dây đồng 𝐴 𝑤

Từ công thức (3.26) và (3.27) suy ra:

Bảng 3.1 Bảng chọn loại dây đồng American Wire Gauge

Maximu m amps for chassis wiring (A)

Maximum frequency for 100% skin depth for solid conductor copper (Hz)

Theo bảng trên, ta chọn loại dây đồng 14 AWG (American wire gauge)

Nếu khe được lấp đầy bởi dây, diện tích mặt cắt của khe bằng với diện tích mặt cắt của cuộn dây 𝐴 𝑐

0.022 = 0.008 (𝑚) Độ dài trung bình của một vòng dây 𝐿 𝑐 được tính theo phương trình:

= 3.14 ∗ 0.008 + 4 ∗ 0.08 = 0.34512 (𝑚) Điện trở pha của cuộn dây:

Các công thức bên trên được sử dụng để tính toán các thông số thiết kế máy phát điện trong bảng 3.1

Bảng 3.2 Thông số máy phát điện Stator – Phần cảm: Phần đứng yên

Chiều rộng 𝑾 𝒔 Độ rộng khe 𝒃 𝒔

Chiều cao khe 𝒉 𝒔 Độ dày của thành 𝒀 𝒔

Thông lượng cho phép trong stator 𝑩 𝒚 𝒔 Đường kính dây đồng stator 𝑫 𝒘

Translator – Phần ứng: Phần dịch chuyển Độ rộng cực 𝝉 𝒑 Độ dày của thành 𝒀 𝒓

Thông lượng cho phép trong translator 𝑩 𝒚 𝒓

Số vòng dây trên mỗi cuộn 𝑵 𝒄

Mật độ từ thông trung bình trong khe hở không khí 𝑩 𝒈

Nam châm vĩnh cửu Độ rộng nam châm 𝝉 𝒎 Độ dày của nam châm 𝒉 𝒎

Mật độ từ thông dư 𝑩 𝒓

TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN TĨNH VÀ PHẦN ĐỘNG

Trong mô hình hóa máy phát điện trong không gian 2D bằng phần mềm FEMM 4.2, cần chú ý đến mật độ từ thông để tránh sự bão hòa quá mức của phần tĩnh (stator) và phần động (translator) Mật độ từ thông cho phép đối với thành stator được giới hạn dưới 1,8 T, do vật liệu làm stator là Steel_1010, trong khi thành translator có mật độ từ thông tối đa là 1,2 T với vật liệu là Steel_1008.

Hình 3.4 Mô hình FEM của một phần máy phát điện tuyến tính 4 mặt phẳng với

Stator 7.3 mm và translator 7.7 mm Phân bố mật độ từ thông thu được cho mô hình với kích thước ban đầu của phần cảm và phần ứng được thể hiện trong [Hình 3.5] a)

Mật độ từ thông phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu cho thấy rằng mật độ từ thông tối đa trong thành translator đạt 2.02 T, cao hơn mức bão hòa 1.2 T, trong khi đó, mật độ từ thông trong thành stator là 1.72 T, đáp ứng yêu cầu không bị bão hòa quá mức với giá trị 1.8 T Do đó, cần giảm mật độ từ thông trong translator bằng cách tăng chiều rộng thành của nó, như đã được mô phỏng trong phần mềm FEMM.

Hình 3.6 Mật độ từ thông phân bố trong lõi translator dày 14 mm

Mật độ từ thông tối đa của transformer là 1.19 T, nằm trong giới hạn cho phép để tránh tình trạng bão hòa Giá trị này gần đạt đến ngưỡng bão hòa, cho thấy các kích thước của transformer trong trường hợp này được coi là tối ưu.

Hình 3.7 Mật độ từ thông phân bố trong lõi translator dày 18 mm

Khi kích thước của translator tăng lên, từ thông có xu hướng giảm, với mật độ từ thông tối đa trong thành translator chỉ đạt 0.89 T Mức mật độ này quá thấp so với tiêu chuẩn cho phép, dẫn đến việc translator và stator dễ bị bão hòa, từ đó làm giảm công suất sinh ra của máy phát điện.

Bảng 3.3 Thông số thành stator và translator

Thành stator 7.3 mm 7.7 mm 7.7 mm

Thành translator 7.7 mm 14 mm 18 mm

Chọn kích thước thành stator là 7.7 mm và thành translator là 14 mm giúp đạt mật độ từ thông trong giới hạn cho phép, ngăn ngừa hiện tượng bão hòa ở cả stator và translator với 𝐵 𝑦 𝑠 = 1.72 𝑇 < 1.8 𝑇 và 𝐵 𝑦 𝑟 = 1.19 𝑇 < 1.2 𝑇.

Hình 3.8 Hình chiếu bằng của máy phát điện tuyến tính

Hình 3.9 Mặt cắt đứng của máy phát điện tuyến tính

THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN MAXWELL

Dựa trên các thông số đã được tính toán trước đó, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng mô hình máy phát điện tuyến tính trong phần mềm Maxwell.

3.4.1 Thiết kế phần ứng Đầu tiên, ta vẽ 1 hình hộp chữ nhật bằng Draw box với dài, rộng là 80 mm và chiều cao là 276 mm

Khi nhập tọa độ nên chú ý đang ở hệ tọa độ Absolute (tuyệt đối) hay hệ tọa độ

Gốc tọa độ được xác định trong hệ tọa độ tuyệt đối, từ đó chúng ta tiến hành vẽ một hình hộp chữ nhật với kích thước dài 52 mm, rộng 52 mm và cao 276 mm.

Ta chọn cả hai hộp, dùng lệnh Subtract để tạo thành hình ống sắt vuông với độ dày thành 14 mm Kết quả như Hình 2.26

Kích đúp vào Box1 trong Design tree để mở bảng

HVTH: Nguyễn Thái Học 49 Đổi tên từ Box1 sang Translator Trong mục Material, chọn Edit để mở bảng vật liệu → chọn loại vật liệu steel_1008 → OK

❖ Thiết kế nam châm vĩnh cữu và stator

❖ Thiết kế nam châm vĩnh cữu Đầu tiên, ta vẽ hình hộp chữ nhật với vị trí và kích thước như sau:

Next, select the newly drawn box and open the Attribute panel Rename it to "Magnet" and choose the material NdFe35 from the Select Definition menu Then, access the View/Edit Materials section and configure the View/Edit Materials table accordingly.

Kích vào Validate Material → OK

Chọn nam châm vừa vẽ và nhân nó lên bằng lệnh Duplicate Along Line , nhập vào trường nhập tọa độ như sau:

Trong bảng Duplicate Along Line nhập như sau:

Vẽ 1 hình hộp chữ nhật với kích thước

Và 1 hình với kích thước

Sau đó nhân nó lên 12 lần theo theo đường thẳng với lệnh Duplicate Along

Line Chọn những hình hộp mới vẽ và dung lệnh Subtract, ta có kết quả như hình

2.27 b Đổi tên hình mới vẽ thành Stator và chọn vật liệu là steel_1010 và bảng View/Edit Materials ta thiết lập như sau: e

Chọn Stator và tất cả nam châm vĩnh cữu, sau đó sử dụng lệnh Duplicate Around Axis trên thanh công cụ để nhân lên 4 lần quanh trục tọa độ Z Kết quả đạt được sẽ giống như hình 2.27 c: a) b) c).

Hình 3.11 Các bước vẽ nam châm và stator

Vẽ 1 hình hộp chữ nhật với kích thước

Và 1 hình hộp chữ nhật với kích thước

Sau đó, chọn cả hai hộp và dung lệnh Subtract và thiết lập bảng Attribute như sau:

Ta được kết quả như hình 2.28 a

Chọn cuộn dây mới vẽ và sử dụng lệnh Duplicate Along Line để nhân lên 12 lần, ta thu được kết quả như hình 2.28 b Tiếp theo, áp dụng lệnh Duplicate Along Axis để nhân lên 4 lần, kết quả hiển thị ở hình 2.28 c.

Hình 3.12 Các bước vẽ cuộn dây

3.4.3 Tạo điểm đầu cuối cho những cuộn dây

Terminal là điểm đầu cuối của cuộn dây, để tạo Terminal ta sẽ tạo ra một mặt cắt trên cuộn dây

Chọn 48 cuôn dây → Modeler → Surface → Section, trong bảng Section ta chọn mặt YZ và OK Thực hiện thêm 1 lần với mặt phẳng XZ

Phần mềm sẽ dùng mặt phẳng YOZ và XOZ để chia các cuộn dây ra thành 2 phần, lúc này mỗi cuộn dây sẽ bị cắt tại 2 phần

Ta cần xóa 1 section đi, chọn 48 coil section mới tạo → Modeler → Boolean

→ Separate Bodies và xóa hết những coil section mới tạo đi Kết quả như hình 4.4

Hình 3.13 Các bước tạo Terminal

3.4.4 Thiết kế khu vực chi tiết của mô hình di chuyển và khu vực phầm mền tiến hành mô phỏng

Band trong Maxwell là khu vực mà các chi tiết của mô hình di chuyển Chúng ta sẽ thiết lập band như một khối hộp không khí chứa Translator, đảm bảo không tiếp xúc với Stator.

Nghiên cứu về FPLG của cơ quan không gian Đức – DLR cho thấy động cơ pít-tông tự do có tần số lên tới 50 Hz và hành trình pít-tông là 120 mm Chúng tôi sẽ mô phỏng mô hình với translator có biên độ di chuyển 60 mm.

Vậy ta sẽ vẽ band của mô hình là một hình hộp chữ nhật như sau:

Hình 3.14 Band của mô hình

Region là khu vực mà phần mềm sử dụng để mô phỏng, bao quanh mô hình Nếu region quá lớn, thời gian mô phỏng sẽ kéo dài, trong khi nếu quá nhỏ, mô phỏng sẽ không đầy đủ Để tạo region, người dùng có thể sử dụng lệnh "Create region" trên thanh công cụ.

Trong bảng Region ta chọn Value là 15

Hình 3.15 Region của mô hình

Hoàn tất mô hình 3D của máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu 4 mặt phẳng Cần lưu và sao chép hai bản, một bản chính và một bản phụ để nghiên cứu độ tự cảm của máy phát điện trong Maxwell bằng phương pháp giải Magnetostatic.

CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN