(Luận văn thạc sĩ) 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 suy giảm, cùng với sự gia tăng lo ngại về ô nhiễm môi trường và tiêu chuẩn khí thải Điều này đã thúc đẩy các nhà sản xuất ô tô và xe tải nỗ lực thiết kế và sản xuất các loại xe tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm hơn.

Năm 1995, Ivanhoe đã điều chỉnh dự đoán của Hubbert về sản lượng dầu, cho rằng sản lượng dầu thô sẽ tăng nhẹ cho đến năm 2010, sau đó giảm dần, với dự báo vào 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), trữ lượng dầu thô vẫn sẽ cạn kiệt Sự giảm 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 ở các đô thị do khí thải phương tiện giao thông gây ra đang trở thành mối quan tâm lớn, ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân Khói mù tại các thành phố lớn là nguyên nhân chính dẫn đến bệnh hen suyễn, dị ứng và các bệnh hô hấp khác Để cải thiện tình hình này, Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) đã thiết lập các tiêu chuẩn khí thải yêu cầu các nhà sản xuất xe phải giảm lượng khí thải Xu hướng này cũng tương tự với các quy định về khí thải tại Nhật Bản và Châu Âu, nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và cải thiện chất lượng không khí.

Việt Nam đang trên đà phát triển kinh tế nhanh chóng với mục tiêu trở thành nước 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.

Sự gia tăng vận chuyển hàng hóa qua đường biển, đường bộ và đường hàng không đang thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội Tuy nhiên, hoạt động của các phương tiện giao thông cũng gây ra tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường, đặc biệt là lượng khí thải từ các phương tiện này, góp phần vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu Điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải tiến động cơ đốt trong và tích hợp 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 thay thế và sạch như điện để giảm phát thải CO2 Sự xuất hiện của xe điện (Battery Electric Vehicles - BEV) là một bước tiến quan trọng, tuy nhiên, động cơ đốt trong vẫn sẽ tồn tại lâu dài như một phần của xe lai sạc điện (Plug-in Hybrid Electric Vehicles - PHEV) Hệ thống PHEV kết hợp động cơ điện và động cơ xăng, trong đó động cơ điện được hỗ trợ bởi pin lithium-ion và động cơ xăng hoạt động chủ yếu như máy phát điện khi pin cạn kiệt Điều này giúp mở rộng phạm vi hoạt động của xe, khắc phục nhược điểm quãng đường hạn chế của xe điện Tuy nhiên, việc sử dụng các tiện ích như nghe nhạc hay xem phim cũng ảnh hưởng đến quãng đường đi được, cùng với các yếu tố như tốc độ, cách lái xe và địa hình.

Hiện nay, động cơ xăng sử dụng cho máy phát điện trên xe plug-in hybrid của các hãng ô tô toàn cầu chủ yếu là động cơ chu kỳ Atkinson, hay còn gọi là động cơ "van biến thiên" Động cơ này có khả năng tối ưu hóa thể tích kỳ dãn nổ và giảm thể tích kỳ hút nén, giúp nâng cao hiệu suất nhiên liệu lên đến 10% so với động cơ xăng truyền thống.

HVTH: Nguyễn Thái Học 3 đã phát triển một thế hệ động cơ điện đôi và động cơ xăng mới để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu Động cơ pít-tông tự do, được phát triển bởi nhiều nhóm trên toàn cầu, hứa hẹn mang lại 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), nhằm cung cấp cho xe lai sạc điện (PHEV) một giải pháp phát điện nhỏ gọn và hiệu quả.

CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Ngày nay, xe điện đang trở thành sự thay thế chính cho ô tô thông thường, nhưng công nghệ pin vẫn gặp phải hạn chế về phạm vi lái xe ngắn, gây cản trở cho sự phát triển của chúng Máy phát điện tuyến tính trên động cơ pít-tông tự do (FPLG) được xem là một giải pháp hiệu quả để mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện FPLG là hệ thống phát điện hứa hẹn với tính đơn giản và hiệu suất nhiệt cao, kết hợp động cơ đốt trong tuyến tính và máy điện tuyến tính thành một đơn vị, mang lại hiệu suất nhiệt vượt trội so với động cơ pít-tông thông thường Nhờ vào việc loại bỏ cơ chế trượt tay quay, FPLG sở hữu những ưu điểm như tỷ số nén thay đổi, kích thước nhỏ gọn và khả năng sản xuất năng lượng hiệu quả cao Tỷ số nén trong FPLG có thể điều chỉnh linh hoạt thông qua vị trí của động cơ máy phát, cho phép sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau như xăng, hydro và metan mà không cần thay đổi cấu trúc động cơ Hơn nữa, 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 tối ưu cho xe điện.

HVTH, hay Nguyễn Thái Học 4, có kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ, giúp giảm ma sát và tổn thất nhiệt trong hệ thống Việc loại bỏ cơ chế tay quay và bánh đà làm giảm đáng kể tổn thất ma sát do không còn va chạm của pít-tông khi chuyển động từ quay sang tuyến tính Số lượng linh kiện chuyển động ít hơn cũng đồng nghĩa với việc giảm ma sát tiếp xúc trong hệ thống Hơn nữa, hoạt động không có trục khuỷu này 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 các lực như áp suất khí, lực điện từ và lực bật lại Để kiểm soát chuyển động này, 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 gặp nhiều thách thức do sự biến thiên theo chu kỳ và các 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 chuyển động của pít-tông, yêu cầu độ tin cậy, chính xác và hiệu quả cao Mặc dù nhiều cấu trúc LEM đã được nghiên cứu, không có thiết kế nào đáp ứng đầy đủ yêu cầu về đột quỵ ngắn, tần số cao và gia tốc lớn.

Máy phát điện tuyến tính vẫn chưa được chú trọng nhiều tại Việt Nam, dẫn đến các nghiên cứu và báo cáo còn hạn chế Chỉ một số 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 đang tiến hành nghiên cứu về máy phát điện tuyến tính cho động cơ pít-tông tự do trong ô tô Đồng thời, Đại học Hàng hải Việt Nam cũng nghiên cứu máy phát điện xoay chiều tuyến tính sử dụng nam châm vĩnh cửu trong 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 trên 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, nhiều cuộc điều tra đã được thực hiện Các FPLG được nghiên cứu chủ yếu được phân loại thành ba loại: 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, cho phép tạo ra công suất điện khoảng 10 kW ở tần số 21 Hz, có thể nâng lên 25 kW khi tăng tần số lên 50 Hz Tại Toyota, Kosaka và cộng sự cũng đã phát triển một lò xo khí hai kỳ phục hồi cho FPLG xi lanh đơn, với piston hình chữ W giúp ngăn ngừa hiện tượng khử từ FPLG này có khả năng hoạt động liên tục trong khoảng 4 giờ, cung cấp 10,4 kW với 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 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 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 tối ưu hóa thiết kế máy điện tuyến tính cho FPLG Trong khi đó, Shoukry và cộng sự tại WVU đã thiết lập một nguyên mẫu hai thì pít-tông kép, có khả năng tạo ra công suất đáng kể.

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

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 và các chiến lược điều khiển Gần đây, Roskilly cùng với Jia et al tại BIT đã phát triển một nguyên mẫu pít-tông đôi, 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 làm pin nhiên liệu cho xe điện hybrid Tuy nhiên, họ nhận thấy rằng việc điều khiển đồng bộ FPLG pít-tông đối nghịch 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 kháng, khiến nó trở thành một thiết kế tiềm năng Tuy nhiên, việc duy trì hoạt động ổn định trong thời gian dài của FPLG xi lanh đơn vẫn gặp nhiều thách thức, bao gồm thiếu chiến lược kiểm soát hiệu quả và thiết kế hệ thống không phù hợp Để khắc phục những vấn đề này, Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) đã phát triển máy phát điện tuyến tính dạng phẳng kết hợp với công nghệ động cơ “đối đỉnh” trên động cơ pít-tông tự do Nguyên lý hoạt động của thiết kế này là năng lượng từ nhiên liệu được chuyển đổi trong quá trình đốt trong bộ đốt, tạo ra áp suất làm di chuyển pít-tông về phía lò xo khí, nơi không khí được nén để lưu trữ năng lượng và đảo ngược chuyển động của pít-tông, từ đó tăng tốc pít-tông trong quá trình đốt cháy Máy phát điện tuyến tính khai thác năng lượng giải phóng trong hệ thống con của bộ đốt, góp phần vào hiệu suất hoạt động của thiết kế.

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 sử dụng nam châm vĩnh cửu cùng với các cuộn dây được gắn 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 cho phép đạt được mục tiêu này, như được minh họa trong hình 1.1.

Mô-đun FPLG được phác thảo với các nguyên tắc thiết kế cơ bản cho buồng đốt đơn, bao gồm thiết kế lò xo khí trung tâm, thiết kế buồng đốt trung tâm và thiết kế buồng đốt trung tâm kết hợp với lò xo khí tích hợp.

Sự sắp xếp đầu tiên trong hình 1.1 bao gồm hai đơn vị đốt riêng biệt: máy phát tuyến tính và lò xo khí Sự kết hợp của hai hệ thống này mang lại khả năng giảm hiệu quả.

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 trong nghiên cứu máy phát điện tuyến tính động cơ pít-tông tự do đã được áp dụng để xác định đối tượng nghiên cứu và tiến hành mô phỏng số.

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 qua một mạch kín, sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch Dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng, và hiện tượng tạo ra dòng điện cảm ứng được gọi là hiện tượng cảm ứng điện – từ.

2.1.1 Các định luật hiện tượng cảm ứng điện từ

Dòng điện cảm ứng trong mạch kín cho thấy sự tồn tại của suất điện động cảm ứng 𝑒 Qua việc phân tích kết quả thực nghiệm, Faraday đã xác định được biểu thức cho suất điện động cảm ứng này.

Sự biến đổi từ thông ϕ qua mạch kín gây ra dòng điện cảm ứng Để dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch điện kín, cần 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 ngược lại với sự biến thiên của từ thông mà nó tạo ra Điều này cho phép chúng ta xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong bất kỳ mạch kín nào khi từ thông qua mạch đó thay đổi.

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 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 thay đổi trong một cuộn dây, nó sẽ tạo ra sức điện động tự cảm trong cuộn dây, có tác dụng chống lại sự biến đổi của dòng điện đó Độ lớn của sức điện động tự cảm tỉ lệ 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 tạo ra cũng thay đổi theo Hệ quả là trong các mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng, 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 này sẽ tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện ở 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), thiết kế tích hợp giữa động cơ và máy phát, giúp điều khiển chuyển động của piston và tạo ra năng lượng điện LEM là thành phần thiết yếu trong FPLG, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện, đồng thời vận hành như một động cơ để khởi động và duy trì tỷ số nén Trong giai đoạn thiết kế, cần chú trọng đến hiệu suất và công nghệ sản xuất LEM, với khối lượng di chuyển thấp quan trọng cho tần suất hoạt động và tối ưu hóa hiệu quả LEM có khả năng giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu, đồng thời yêu cầu hiệu suất cao, mật độ năng lượng lớn, độ tin cậy tốt 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 các máy công suất cao Một ví dụ điển hình là loa phóng thanh, nhưng cuộn dây di chuyển không phù hợp cho việc tạo ra năng lượng đáng kể Như hình 2.1 đã chỉ ra, loại 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 của nam châm, 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 cao và nhiều lợi thế, nhưng chúng thường nặng hơn Bài viết này sẽ tập trung vào 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 máy điện tuyến tính (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 được trình bày trong hình 2.5 và 2.7 Cấu trúc đầu tiên (Hình 2.5) sử dụng nhiều nam châm, trong khi cấu trúc thứ hai (Hình 2.7) chỉ có một nam châm di chuyển.

Máy phát điện tuyến tính hoạt động dựa trên các nguyên tắc tương tự, và để phân tích, chúng ta sẽ tập trung vào một nam châm chuyển động duy nhất như trong Hình 2.7 Lưu ý rằng các nam châm cuối có độ dày nhỏ được sử dụng như nam châm "lò xo" nhằm khôi phục động cơ 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 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 các trường này có thể được xác định chính xác qua phân tích phần tử hữu hạn, phương pháp mạch từ cũng cung cấp kết quả gần đúng chấp nhận được cho các ứng dụng thực tiễn Do đó, khi bỏ qua độ bão hòa và rò rỉ, chúng ta có thể xác định 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 bởi công thức (2.17) Để đánh giá hiệu suất của máy phát điện, việc hiểu rõ các thông số khác nhau của PMLA là rất quan trọng Đặc biệt, độ tự cảm từ hóa (Lm) là một trong những thông số cần thiết để phân tích.

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 Tiếp theo, hãy tham khảo các ký hiệu thể hiện trong hình 2.9, trong đó độ tự cảm rò rỉ được nêu rõ.

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]

Mạch tương đương của PMLM được trình bày trong Hình 2.10, trong đó một tụ điện "điều chỉnh" được sử dụng để bù cho phản ứng đồng bộ, nhằm cải thiện quy định điện áp Với sự có mặt của tụ điều chỉnh trong mạch, chúng tôi tiến hành 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

Sau khi xác định các thông số cuộn dây và kích thước lõi, việc mô hình hóa và tìm kiếm các thông số cơ điện của máy phát điện trở nên quan trọng Để thực hiện điều này, phần mềm Maxwell Ansoft v12 được sử dụng nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến 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 mạnh mẽ sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề tĩnh từ tính 3D, phục vụ cho 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 nhập hình học, tính chất vật liệu và đầu ra mong muốn để nhận kết quả nhanh chóng và hiệu quả.

Maxwell tự động tạo ra một lưới chính xác và hiệu quả để giải quyết vấn đề, giúp loại bỏ sự phức tạp trong quá trình phân tích Quá trình chia lưới này tự động thích ứng, 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 bạn 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)

Sau khi xác định yêu cầu của bài toán, hãy chọn phương thức giải phù hợp, có thể là từ tính hoặc điện tính Để thực hiện, truy cập vào Maxwell 3D, sau đó vào phần Solution Type để lựa chọn phương thức giải thích hợp từ bảng có sẵn.

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 tất cả các thông số cần thiết, bạn cần kiểm tra lại bằng cách vào Maxwell 3D và thực hiện kiểm tra xác thực Nếu không có lỗi nào được phát hiện, hãy chọn Maxwell 3D và phân tích toàn bộ 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), với mục tiêu áp dụng cho một chiếc ô tô cỡ trung Loại xe này được chọn vì nó đại diện cho một tỷ lệ lớn các phương tiện đang được sử dụng 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) cho thấy sản lượng công suất cần thiết của động cơ xe, là giá trị tham chiếu cho thiết kế các khái niệm FPLG Chu kỳ này gồm hai giai đoạn: trong 780 giây đầu tiên, xe lặp lại chu trình lái xe đô thị bốn lần, với nhu cầu điện năng cao nhất khoảng 20 kW Ở giai đoạn thứ hai, xe chạy thêm một vòng đô thị với tốc độ tối đa 120 km/h, trong đó công suất cực đại không vượt quá 50 kW Phân tích cho thấy bộ phận phát điện của bộ mở rộng phạm vi trên các phương tiện xe lai sạc điện PHEV chỉ cần 50 kW hoặc ít hơn, tùy thuộc vào dung lượng lưu trữ.

HVTH: Nguyễn Thái Học 35 trang bị hệ thống trữ điện nhằm vượt qua tiêu chuẩn NEDC Đặc biệt, với việc sử dụng pin lớn hơn, công suất đầu ra của FPLG có thể được thiết kế giảm đáng kể xuống dưới 50 kW.

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 thể duy trì tốc độ liên tục khoảng 120 km/h, trong khi công suất cực đại cần thiết theo tiêu chuẩn NEDC là 50 kW, cho thấy xe đạt yêu cầu về tốc độ liên tục.

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

Theo phân tích từ hình 3.1 - 3.2 dựa trên Chu kỳ Lái xe Châu Âu Mới (NEDC), hệ thống FPLG 30 kW có khả năng duy trì tốc độ liên tục khoảng 135 km/h.

[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 phía sau piston đốt có thể giảm chiều dài và nâng cao hiệu suất nhiệt DLR đang phát triển hệ thống FPLG với buồng đốt trung tâm và cấu trúc máy phát điện tuyến tính Sự sắp xếp này là nền tảng cho thiết kế máy phát điện tuyến tính trong động cơ pít-tông tự do được trình bày trong bài viết này.

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 ≈ 1, do đó công suất biểu kiến S = 10.000 VA Điện áp cảm ứng pha được tính 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 𝑣 𝑎𝑣 so với cuộn dây pha, sức điện động cảm ứng sẽ thay đổi, đạt giá trị cực đại khi mật độ từ thông đạt mức tối đa 𝐵 𝑚 Giá trị này được biểu diễn 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, mật độ từ thông cho phép được thiết lập để tránh sự bão hòa quá mức của phần tĩnh (stator) và phần động (translator) Cụ thể, mật độ từ thông cho phần stator không vượt quá 1,8 T do được làm từ vật liệu Steel_1010, trong khi đó, phần translator có mật độ từ thông tối đa là 1,2 T với vật liệu 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 đồ từ thông phân bố trong lõi stator và translator trước khi tối ưu cho thấy mật độ từ thông tối đa trong translator đạt 2.02 T, vượt mức 1.2 T, trong khi đó, mật độ từ thông trong stator là 1.72 T, thấp hơn 1.8 T, đảm bảo không bị bão hòa quá mức Để cải thiện hiệu suất, cần giảm mật độ từ thông trong translator bằng cách tăng chiều rộng thành của nó, như đã thể hiện trong bảng và mô phỏng mật độ từ thông bằng phần mềm FEMM.

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

Mật độ từ thông tối đa trong thành translator là 1.19 T, nằm trong giới hạn cho phép để tránh bão hòa Giá trị này gần đạt đến mức bão hòa tối đa, cho thấy kích thước của translator trong trường hợp này 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, 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 cho thành stator là 7.7 mm và thành translator là 14 mm nhằm đảm bảo mật độ từ thông trong giới hạn cho phép, giúp tránh hiện tượng bão hòa trong cả hai thành stator và translator Cụ thể, giá trị từ trường tại stator là 𝐵 𝑦 𝑠 = 1.72 𝑇, thấp hơn 1.8 𝑇, và tại translator là 𝐵 𝑦 𝑟 = 1.19 𝑇, thấp hơn 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 tiến hành vẽ 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

Trong hệ tọa độ tuyệt đối, gốc tọa độ được xác định rõ ràng Tiếp theo, chúng ta tiến hành vẽ một hình hộp chữ nhật có kích thước chiều dài 52 mm, chiều rộng 52 mm và chiều 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 table 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 thu được 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 như 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 dưới dạng 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 đến 50 Hz và hành trình pít-tông đạt 120 mm Dựa trên thông tin này, chúng ta sẽ mô phỏng mô hình với translator di chuyển biên độ 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 tiến hành mô phỏng, bao quanh mô hình Nếu region quá rộng, thời gian mô phỏng sẽ tăng lên, trong khi nếu quá nhỏ, phần mềm sẽ không thực hiện được mô phỏng 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 thành mô hình 3D của máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu với 4 mặt phẳng Chúng ta cần lưu và sao chép thành 2 bản, trong đó một bản phụ sẽ được sử dụng để xác định độ tự cảm của máy phát điện trong Maxwell thông qua phương pháp giải Magnetostatic.

CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN