Nghiên cứu thiết kế mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tếp IE3 cấp điện áp 660v

Giới thiệu về động cơ LSPMSM

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có tên tiếng Anh là: Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor (thường được viết tắt là

LSPMSM) Động cơ LSPMSM được nghiên cứu đầu tiên bởi F.W Merrill vào năm

Vào năm 1955, động cơ LSPMSM gặp khó khăn trong việc hiện thực hóa và sản xuất thương mại do chất lượng nam châm thấp và sự không ổn định trong hoạt động Thời điểm đó, nam châm được làm từ hợp kim Alnico và Ferrit, dẫn đến hiệu suất kém Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự phát triển của vật liệu nam châm đất hiếm chất lượng cao đã giúp giảm giá thành và tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của động cơ LSPMSM Động cơ này kết hợp giữa động cơ đồng bộ rotor nam châm gắn chìm (IPMSM) và động cơ không đồng bộ rotor có vành ngắn mạch (IM).

Động cơ đồng bộ rotor nam châm gắn chìm (IPMSM) có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, hệ số công suất tốt, kích thước nhỏ gọn và tuổi thọ lâu dài, nhưng nhược điểm lớn là không thể tự khởi động do thiếu mô-men khởi động ban đầu Ngược lại, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (IM) dễ dàng tự khởi động và có giá thành rẻ, nhưng hiệu suất và hệ số công suất thấp Động cơ LSPMSM kết hợp ưu điểm của cả hai loại động cơ, mang lại hiệu suất cao, tổn hao thấp, kích thước nhỏ và khả năng tự khởi động, phù hợp cho ứng dụng cần tốc độ không đổi và công suất nhỏ LSPMSM hoạt động giống như động cơ không đồng bộ trong quá trình khởi động nhưng làm việc với tốc độ đồng bộ, với thiết kế rotor lồng sóc nhôm và nam châm vĩnh cửu bên trong, cho phép khởi động trực tiếp mà không cần bộ điều khiển.

Động cơ LSPMSM có thành phần tổn thất thấp hơn đáng kể so với động cơ IM nhờ vào việc giảm dòng điện từ hóa và dòng điện đầu vào Việc nâng cao hệ số công suất cosφ giúp cải thiện hiệu suất của động cơ, vượt trội hơn so với động cơ IM có hiệu suất IE3.

Cấu tạo động cơ LSPMSM

Phần tĩnh

Phần tĩnh của động cơ bao gồm: Vỏ máy, lõi thép stator và dây quấn

Vỏ máy là bộ phận giữ cố định lõi sắt và dây quấn, đồng thời kết nối nắp hoặc gối đỡ trục, nhưng không sử dụng để dẫn từ Vỏ máy có thể được chế tạo từ gang, nhôm hoặc lõi thép thông qua các phương pháp như đúc, hàn hoặc rèn Có hai kiểu vỏ máy: kiểu kín và kiểu bảo vệ Vỏ kiểu kín yêu cầu diện tích tản nhiệt lớn, thường được thiết kế với nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt, trong khi vỏ kiểu bảo vệ có bề mặt ngoài nhẵn, cho phép gió làm mát thổi trực tiếp lên bề mặt lõi thép và bên trong vỏ máy.

Hình 1.2 Các bộ phận chính của động cơ

Hộp cực và hộp đấu dây là thiết bị quan trọng dùng để kết nối điện từ lưới vào động cơ Đối với động cơ kiểu kín, hộp cực cần được thiết kế kín, với gioăng cao su giữa thân hộp và vỏ máy cũng như nắp hộp cực Ngoài ra, vỏ máy còn được trang bị bu-lông vòng để hỗ trợ việc cẩu máy trong quá trình nâng hạ và vận chuyển, cùng với bu-lông tiếp mát để đảm bảo an toàn điện.

Lõi sắt là phần dẫn từ, được thiết kế để giảm tổn hao bằng cách sử dụng các lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35 đến 0,65 mm ép lại với nhau Yêu cầu chính của lõi sắt là dẫn từ tốt, tổn hao thấp và độ bền cao Mỗi lá thép đều được phủ sơn cách điện để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy gây ra Đối với lõi sắt ngắn, có thể ép thành một khối, trong khi lõi sắt dài thường được ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài từ 6 đến 8 cm và được đặt cách nhau 1 cm để đảm bảo thông gió hiệu quả Bên trong lá thép có thiết kế rãnh để đặt dây quấn.

Hình 1.3 Cấu tạo lõi thép stator

Dây quấn stator là thành phần quan trọng trong động cơ điện, được đặt vào rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi Dây quấn không chỉ tham gia trực tiếp vào quá trình biến đổi năng lượng điện thành cơ năng mà còn chiếm một phần lớn trong tổng chi phí sản xuất máy.

Hình 1.4 Cấu tạo dây quấn stator

Khe hở là khoảng cách giữa bề mặt rotor và mặt trong của stator, và do rotor có hình dạng tròn nên khe hở này đồng đều Trong các máy điện cỡ nhỏ và vừa, khe hở thường rất nhỏ, chỉ từ 0,2 đến 1 mm, nhằm hạn chế dòng từ hóa từ lưới vào, giúp tăng hệ số công suất của máy.

Việc lựa chọn khe hở phù hợp phụ thuộc vào trình độ kỹ thuật của đơn vị sản xuất, công suất động cơ, yêu cầu về tính năng và địa điểm sử dụng.

Hình 1.5 Khe hở không khí giữa bề mặt rotor và mặt trong của stator

Phần động

Phần động của động cơ LSPMSM bao gồm rotor, nam châm vĩnh cửu gắn chìm trong rotor, trục quay động cơ, quạt gió

Rotor của động cơ LSPSM được chế tạo từ thép kỹ thuật điện ghép lại, với các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt trong mỗi rãnh và kéo dài ra ngoài lõi thép Hai đầu của các thanh dẫn được nối ngắn mạch bằng hai vành ngắn mạch Động cơ này không sử dụng rotor dây quấn vì cấu trúc chổi than có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ.

Kết cấu rotor cũng cần tính toán tới các phương án để có thể ghép được nam châm vĩnh cửu gắn chìm bên trong rotor

Hình 1.6 Cấu trúc rotor của động cơ LSPMSM

Nam châm vĩnh cửu là thành phần chính trong động cơ, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực từ Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, nam châm cần có lực từ kháng mạnh mẽ, giúp chống lại sự khử từ do các trường ngoài sinh ra trong quá trình vận hành Ngoài ra, nam châm cũng phải có khả năng chịu nhiệt tốt để không bị khử từ bởi nhiệt độ cao phát sinh từ động cơ.

Sự phát triển mạnh mẽ của nam châm vĩnh cửu đất hiếm như SmCo và NdFeB đã nâng cao hiệu suất và mật độ công suất của động cơ đồng bộ Giá thành vật liệu đất hiếm giảm và công nghệ sản xuất nam châm vĩnh cửu ngày càng tiên tiến, góp phần làm cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu trở nên phổ biến hơn.

Hiệu suất và mô-men xoắn của động cơ LSPMSM chịu ảnh hưởng lớn từ chất lượng nam châm vĩnh cửu Để đạt được hiệu quả tối ưu, nam châm cần có mật độ từ dư cao và khả năng duy trì mật độ này trong thời gian dài.

Trục động cơ, hay còn gọi là trục quay, đóng vai trò quan trọng trong việc mang rotor quay bên trong stator Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, trục quay cần phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về kích thước và hình dáng, đồng thời phải có độ cứng bề mặt cao Nếu không, trục quay có thể bị cong vênh trong quá trình làm việc, dẫn đến khe hở không đều và có thể gây ra sự cố nghiêm trọng.

Trục quay làm bằng thép, trên đó gắn rotor, ổ bi và phía cuối có gắn một quạt để làm mát cho động cơ theo phương dọc trục

Quạt gió là thiết bị quan trọng giúp tăng cường đối lưu và giảm nhiệt độ trên vỏ động cơ Có hai loại quạt gió phổ biến là quạt hướng trục và quạt hướng tâm Để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt, quạt gió thường được kết hợp với nắp chắn, tạo ra luồng không khí thổi dọc theo thân động cơ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ LSPMSM

Quá trình khởi động

Quá trình khởi động của động cơ LSPMSM chủ yếu dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ giữa từ trường được tạo ra trong cuộn dây stator và lồng sóc trong rotor.

Khi đấu dây quấn ba pha vào lưới điện ba pha, dòng điện trong dây quấn sẽ tạo ra một từ trường quay Tốc độ quay của từ trường này được xác định bởi công thức: n = 60 f p PT.

Trong đó: f : Tần số nguồn điện p : Số đôi cực của dây quấn stator n : Tốc độ từ trường quay

Khi cấp điện áp U1 với tần số f vào dây quấn stator Khi đó sẽ có dòng điện

Dòng điện I1 chạy trong dây quấn stator tạo ra từ trường quay đồng bộ trong khe hở không khí Từ trường này cảm ứng trong dây quấn rotor, sinh ra sức điện động E, dẫn đến dòng điện I2 chạy trong rotor Sự tương tác giữa các thanh dẫn mang dòng điện và từ trường của máy tạo ra lực điện từ Fđt, có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái.

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ

Các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt rotor tạo ra mô-men quay rotor Chiều quay của rotor phụ thuộc vào chiều quay của từ trường, do đó, chiều quay của động cơ được xác định bởi thứ tự pha của điện áp lưới cấp cho dây quấn stator.

Hình 1.8 Từ trường quay rotor

Trong quá trình khởi động, nam châm vĩnh cửu chưa kịp thích ứng với tốc độ từ trường, dẫn đến mô-men sinh ra bị dao động Hiện tượng này xảy ra khi nam châm đảo chiều liên tục, gây ra sự thay đổi trong mô-men, lúc tăng lúc giảm.

Mô-men tử trong động cơ xảy ra do cấu trúc không đồng đều của rotor, đặc biệt tại mặt tiếp xúc từ tính của nam châm và barie từ, dẫn đến độ chênh lệch từ trở lớn Mô-men này không chỉ tăng cường mô-men khởi động mà còn hỗ trợ quá trình đồng bộ hóa nam châm với tốc độ từ trường Khi rotor đạt gần tốc độ đồng bộ, sau một vài chu kỳ dòng điện, nam châm sẽ theo kịp tốc độ của từ trường quay, kết thúc quá trình khởi động.

Quá trình hoạt động tĩnh

Sau khi khởi động, tốc độ động cơ sẽ đạt đến tốc độ của từ trường quay, lúc này mô-men chủ yếu do nam châm vĩnh cửu tạo ra Mô-men lồng sóc gần như bằng 0, trong khi mô-men từ trở nhỏ giúp giữ nam châm ở vị trí cố định theo từ trường quay Điều này mang lại khả năng ổn định tốc độ tốt cho động cơ sau khi đạt tốc độ đồng bộ.

Ứng dụng của động cơ LSPMSM

Giới thiệu chung về động cơ phòng nổ

Đặc điểm của động cơ điện sử dụng trong khai thác mỏ, hầm lò cấp điện áp thường sử dụng là 380V; 660VAC; 1140VAC; 3,3kVAC Trong đó cấp điện áp

Động cơ điện 660VAC và 1140V thường được sử dụng cho các ứng dụng như bơm, quạt và máy nén khí Đặc biệt, động cơ phòng nổ được thiết kế để hoạt động trong môi trường có khí cháy và bụi nổ, với hệ thống làm mát bằng quạt gió gắn liền hoặc quạt gió ngoài Những loại động cơ này rất quan trọng trong các mỏ hầm lò, nơi có nhiệt độ cao, độ ẩm lớn và nguy cơ khí nổ Để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm chi phí, các thiết bị như quạt gió, trạm bơm và máy nén khí nên sử dụng động cơ đồng bộ với điện áp cao Trong điều kiện làm việc khắc nghiệt, thiết bị điện trong hầm mỏ cần được thiết kế đặc biệt để đảm bảo hoạt động ổn định, ít nóng, ít ồn, không rò rỉ điện, có hệ số an toàn cao và chống bụi bẩn.

Phụ tải ở các khu vực khai thác mỏ phân tán trên một phạm vi rộng và ở các độ sâu khác nhau

Các thiết bị điện hầm mỏ hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt như độ ẩm cao và môi trường bụi bẩn, nơi có nguy cơ cháy nổ do hỗn hợp khí Metan Do đó, tất cả thiết bị điện phải được thiết kế với cấu trúc đặc biệt để đảm bảo khả năng bảo vệ chống cháy nổ và ẩm ướt.

Sự giới hạn của không gian trong hầm mỏ nên phải sử dụng các thiết bị có kích thước nhỏ gọn

Các thiết bị động cơ phòng nổ được thiết kế với độ bền cơ học và khả năng chống rung tốt, cùng với lớp vỏ dày chắc chắn và độ kín cao Nhờ vào những đặc điểm này, khi xảy ra cháy nổ, mức độ thiệt hại sẽ được giảm thiểu đáng kể.

Tình hình nghiên cứu động cơ phòng nổ

Động cơ LSPMSM (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có rotor lồng sóc) là một loại động cơ mới, tiết kiệm năng lượng và có hiệu suất cao, đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể trong thời gian gần đây Nhiều nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng động cơ này có khả năng đạt tiêu chuẩn hiệu suất IE3.

Sự phát triển nhanh chóng của nam châm vĩnh cửu đất hiếm như SmCo và NdFeB không chỉ nâng cao hiệu suất của động cơ đồng bộ mà còn cải thiện mật độ công suất, chất lượng và hiệu năng động học Bên cạnh đó, giá thành vật liệu đất hiếm ngày càng giảm và công nghệ sản xuất nam châm vĩnh cửu ngày càng thuận lợi, góp phần làm cho động cơ LSPMSM trở nên phổ biến hơn.

Động cơ LSPMSM mang lại nhiều tiện ích và đã được nghiên cứu chế tạo thành công trên toàn thế giới, với dải công suất từ vài W đến hàng trăm kW Các hãng chế tạo máy điện nổi tiếng như Siemens, ABB và General Electric đã cải tiến thiết kế để tối ưu hóa tính năng kỹ thuật của loại động cơ này Sản phẩm của động cơ LSPMSM hiện đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

9 trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế như: Công nghiệp, nông nghiệp, y tế, quân sự, giao thông… cũng như dân dụng

Hiện nay, động cơ LSPMSM hiệu suất IE3 ứng dụng trong phòng nổ đang ở giai đoạn nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm Các động cơ này chủ yếu là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, mang lại hiệu suất cao và khả năng hoạt động an toàn trong môi trường dễ cháy nổ.

Động cơ LSPMSM đang trở thành đối tượng nghiên cứu quan trọng trong nhiều lĩnh vực như tính toán thiết kế điện từ, mô hình hóa và mô phỏng, cũng như xác định các đặc tính làm việc và khởi động Mặc dù việc tính toán và mô phỏng nhiệt cho động cơ LSPMSM đã được quan tâm, nhưng vẫn còn hạn chế Các phương pháp phân tích nhiệt cho động cơ không đồng bộ có thể áp dụng cho LSPMSM, nhưng cần điều chỉnh cho phù hợp Ý tưởng xây dựng mạch nhiệt thông số tập trung cho động cơ LSPMSM đã được đề xuất, nhưng chưa có mô hình cụ thể nào được công bố Tại Việt Nam, có hai công ty lớn trong lĩnh vực sản xuất máy điện quay là Công ty Cổ phần Chế tạo Điện cơ Hà Nội (HEM) và Công ty TNHH Một thành viên Chế tạo Máy điện Việt Nam - Hungari (VIHEM), chuyên sản xuất động cơ một pha và ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc.

Bảng 1.1 Các loại động cơ phòng nổ không đồng bộ rotor lồng sóc của VIHEM

Công ty VIHEM hiện đang chế tạo động cơ phòng nổ chủ yếu là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, tuy nhiên hiệu suất chưa đạt tiêu chuẩn IE3 Sản phẩm động cơ điện phòng nổ của công ty là kết quả của một dự án nghiên cứu và phát triển.

Dự án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ điện phòng nổ” đã được nhà nước phê duyệt và cấp kinh phí Đề tài cấp nhà nước mang mã số “KC 05.02/16-20” tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo động cơ điện tiết kiệm năng lượng với vật liệu có mật độ từ cảm cao Qua đó, dự án đã thành công trong việc chế tạo động cơ LSPMSM đạt hiệu suất IE2, mở ra cơ hội phát triển các dòng động cơ điện hiệu suất siêu cao IE3 trong tương lai.

Động cơ LSPMSM hiệu suất cao IE3 và cấp điện áp cao, đặc biệt là ứng dụng cho động cơ phòng nổ, vẫn còn mới mẻ và chưa phổ biến cả trên thế giới và trong nước Do đó, việc nghiên cứu và phát triển động cơ LSPMSM cho phòng nổ với hiệu suất cao đạt tiêu chuẩn IE3 và điện áp cao sẽ mang lại tiềm năng lớn trong tương lai, mở ra cơ hội phát triển tốt mà cần được chú trọng nghiên cứu.

Các tiêu chuẩn động thiết kế động cơ LSPMSM cho phòng nổ

Hầu hết các nguyên tắc thiết kế áp dụng cho động cơ LSPMSM vẫn giống với động cơ không đồng bộ

Động cơ LSPMSM được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng trong môi trường phòng nổ, yêu cầu đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của động cơ phòng nổ Những động cơ này sử dụng hệ thống làm mát bằng quạt gió, có thể gắn trực tiếp lên trục hoặc sử dụng quạt gió ngoài từ hệ thống ống quạt lò Chúng thường được áp dụng trong các mỏ hầm lò, nơi có nguy cơ cao về khí cháy và bụi nổ Đặc điểm nổi bật của động cơ phòng nổ là vỏ được làm từ gang hoặc thép dày hơn nhiều so với động cơ thông thường, giúp ngăn chặn lửa cháy xâm nhập vào phần điện Hơn nữa, hộp cực điện của động cơ phòng nổ cũng dày gấp nhiều lần so với động cơ thông thường, nhằm ngăn chặn tia lửa điện phát tán ra ngoài khi xảy ra sự cố điện.

- Bộ tiêu chuẩn của Việt Nam về các thiết bị điện, động cơ điện phòng nổ:

 TCVN 6734-2000 [3]: Thiết bị điện dùng trong mỏ hầm lò

 TCVN 7079-0:2002 [4]: Thiết bị điện dùng trong mỏ hầm lò - Yêu cầu chung

 TCVN 7079-1:2002 [5]: Thiết bị điện dùng trong mỏ hầm lò - Vỏ không xuyên nổ, dạng bảo vệ “d”

 TCVN 7279-9:2003 [6]: Thiết bị điện dùng trong môi trường khí nổ - Phân loại và ghi nhãn

 TCVN 6627-1:2014 [7]: Máy điện quay - Thông số đặc trưng và tính năng

 QCVN 07-2020 [8]: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về an toàn đối với Máy phát điện phòng nổ sử dụng trong mỏ hầm lò

- Tiêu chuẩn chung về các thiết bị phòng nổ:

Thiết bị điện vỏ không xuyên nổ là loại thiết bị được thiết kế đặc biệt để ngăn chặn sự xâm nhập của khí hoặc bụi nổ vào bên trong vỏ thiết bị, đồng thời cũng ngăn chặn các yếu tố bên trong gây ra cháy nổ thoát ra ngoài.

 Kích thước nhỏ, gọn gàng Khả năng tháo lắp và dễ di chuyển

Vỏ thiết bị cần được chế tạo từ vật liệu có độ bền cao như thép tấm hoặc gang xám, đảm bảo khả năng chống va đập và không dễ vỡ.

 Máy móc và các bộ phận được chế tạo vật liệu chống ăn mòn khi làm việc ở môi trường axit

 Động cơ có kết cấu kín, chống ẩm ướt và chống bụi

Khi sử dụng bu-lông hoặc ốc vít để bảo vệ các thành phần của vỏ phòng nổ, cần đảm bảo rằng chân lỗ bu-lông hoặc ốc vít không xuyên qua thành hoặc vỏ thiết bị Điều này đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong việc bảo vệ thiết bị.

Các động cơ được sản xuất ra cần nằm trong dãy công suất theo tiêu chuẩn

Dãy công suất động cơ dao động từ 0,55 kW đến 90 kW, hoạt động liên tục theo chế độ S1 và kết nối với lưới điện có tần số 50 Hz hoặc 60 Hz Tiêu chuẩn về kích thước lắp đặt yêu cầu độ cao tâm trục h, tức khoảng cách từ tâm trục đến bệ máy, là yếu tố quan trọng trong việc lắp ghép động cơ với các thiết bị khác Chiều cao tâm trục được xác định dựa trên dãy công suất của động cơ không đồng bộ theo tiêu chuẩn hiện hành.

Hình 1.10 Chiều cao tâm trục của động cơ h LSPMSM MOTOR

11kW/660VAC/YDINH XUAN QUYET

12 d Tiêu chuẩn về hiệu suất

Tiêu chuẩn IEC-60034-2-1 xác định hiệu suất động cơ điện là tỷ lệ giữa công suất cơ hữu ích đầu ra và công điện đầu vào, thường được tính bằng phần trăm Hiệu suất của động cơ điện được mô tả toán học qua công thức η = P.

P1 : Công suất tiêu thụ ở đầu vào

P2 : Công suất hữu ích trên trục động cơ

Công suất hữu ích trên trục động cơ thường thấp hơn công suất tiêu thụ đầu vào vì một phần năng lượng bị mất do ma sát, chuyển hóa thành nhiệt và tổn hao trên vật liệu Hiệu suất của động cơ càng cao, tổn thất năng lượng càng nhỏ.

Hình 1.11 Tiêu chuẩn IEC-60034-30 về hiệu suất theo công suất của động cơ điện

Hiện nay, theo tiêu chuẩn IEC-60034-30, động cơ điện được phân loại hiệu suất từ IE1 đến IE5 Phân cấp hiệu suất này được thể hiện rõ trong Hình 1.11 và Bảng 1.2, với các cấp từ IE1 đến IE4 theo tiêu chuẩn IEC.

Bảng 1.2 Bảng phân cấp hiệu suất động cơ theo tiêu chuẩn IEC-60034-30

Do các tiêu chuẩn hiệu suất của động cơ không đồng bộ cũ không còn phù hợp với yêu cầu tiết kiệm năng lượng, động cơ LSPMSM được thiết kế trong luận văn sẽ tuân thủ tiêu chuẩn hiệu suất cao, đạt tối thiểu cấp IE3 theo tiêu chuẩn IEC-60034-30.

Từ Bảng 1.2 ta thấy để đạt tiêu chuẩn IE3 với động cơ 11kW thì hiệu suất tối thiểu là 91,4% e Tiêu chuẩn về cấp bảo vệ

Tiêu chuẩn này đưa ra các cấp bảo vệ tiêu chuẩn bằng vỏ ngoài áp dụng cho máy điện quay

Cấp bảo vệ có ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu của máy Cấp bảo vệ được ký hiệu bằng chữ IP và 2 chữ số kèm theo

Bảng 1.3 Ý nghĩa các chỉ số IP [12]

Trong đó chữ số thứ nhất chỉ mức độ bảo vệ chống vật thể rắn và bụi xâm nhập vào máy gồm 7 cấp đánh số từ (0 ÷ 6)

Chữ số thứ hai chỉ mức độ bảo vệ chống nước vào máy gồm 9 cấp đánh số từ (0 ÷ 8)

Căn cứ vào tiêu chuẩn [12] và tiêu chuẩn cấp bảo vệ cho động cơ phòng nổ

[5] ứng với đề tài của luận văn này thì cấp bảo vệ học viên lựa chọn để thiết kế là IP54 f Tiêu chuẩn cấp cách điện

Vật liệu cách điện là yếu tố quan trọng trong ngành chế tạo máy điện, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị Việc lựa chọn vật liệu cách điện phù hợp không chỉ đảm bảo máy hoạt động hiệu quả mà còn giúp giảm chi phí sản xuất Do đó, lựa chọn cách điện đúng cách là một bước thiết yếu trong thiết kế máy điện.

Khi chọn vật liệu cách điện cần chú ý đến những vấn đề sau:

 Vật liệu cách điện phải có độ bền cao, chịu tác dụng cơ học tốt, chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt lại ít thấm nước

Để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả trong ít nhất 15-20 năm trong điều kiện làm việc bình thường, cần lựa chọn vật liệu cách điện có tính cách điện cao, đồng thời giữ giá thành máy ở mức hợp lý.

Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tuổi thọ của vật liệu cách điện và máy móc Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép, độ bền cơ học của chất điện môi sẽ giảm, dẫn đến quá trình già hóa nhanh chóng của vật liệu cách điện.

Theo nghiên cứu, dây điện trong máy phát điện, động cơ điện, máy biến áp và các linh kiện khác được phân loại thành nhiều lớp khác nhau, dựa trên nhiệt độ và độ biến nhiệt.

Bảng 1.4 Các cấp chịu nhiệt [13]

Chỉ số độ bền hoặc chỉ số độ bền nhiệt tương đối ( o C)

Cấp Y bao gồm các vật liệu như sợi bông, tơ, sợi nhân tạo, giấy, chế phẩm từ giấy, carton và gỗ, tất cả đều không được tẩm sơn cách điện Phương pháp này hiện nay không còn được sử dụng do khả năng chịu nhiệt kém.

Cấp A là loại vật liệu cách điện tương tự như cấp Y, nhưng được tẩm sơn cách điện Loại vật liệu này thường được sử dụng cho các máy điện có công suất lên đến 100kW Tuy nhiên, cấp A có khả năng chịu ẩm kém, không phù hợp cho việc sử dụng ở các vùng nhiệt đới.

Phương án thiết kế

Thiết kế mới hoàn toàn

Phương pháp này yêu cầu thiết kế động cơ mới về cấu trúc và nguyên lý hoạt động Tuy nhiên, do tính phức tạp và khối lượng công việc lớn, phương án này ít được áp dụng Việc thiết kế mới cũng đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, đòi hỏi thay đổi trong quy trình thi công, công nghệ và dây chuyền sản xuất.

Tuy nhiên phương án này lại có thể đưa ra các thiết kế mới, đột phá thích hợp nếu có nguồn lực về kinh tế cũng như nghiên cứu.

Thiết kế cải tiến

Phương án thiết kế cải tiến là một lựa chọn phổ biến trong thiết kế máy điện, nhằm nâng cao các tính năng của thiết bị Phương án này cho phép tái sử dụng các thiết kế đã được sản xuất, đồng thời cải tiến chúng, giúp tiết kiệm chi phí và công sức nhờ vào việc sử dụng lại một phần dây chuyền công nghệ cũ Sau khi so sánh, học viên nhận thấy phương án thiết kế cải tiến có nhiều ưu điểm vượt trội so với thiết kế mới, do đó quyết định áp dụng phương án này trong luận văn Nội dung luận văn sẽ tập trung vào việc cải tiến động cơ LSPMSM từ động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc với công suất tương đương.

Phương pháp tính toán

Tính toán giải tích

Phương pháp tính toán giải tích là một trong những phương án phổ biến trong thiết kế động cơ, dựa trên các công thức được phát triển từ toán học và thực nghiệm Quy trình thiết kế này có đặc trưng bởi nhiều hệ số kinh nghiệm đặc trưng cho từng loại động cơ và công nghệ sản xuất, giúp các nhà thiết kế tạo ra những sản phẩm gần gũi với thực tế Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả, người thiết kế cần nắm vững các hệ số này nhằm tránh những sai sót trong quá trình thiết kế.

Một nhược điểm lớn của phương pháp này là số lượng phép tính phức tạp, gây khó khăn trong việc thiết kế Đặc biệt, khi cần thay đổi các thông số, việc tính toán lại từ đầu gần như là điều bắt buộc.

Phương pháp tính toán hiện đại

Sự phát triển của công nghệ máy tính đã cách mạng hóa thiết kế máy điện, giảm bớt công sức cho các kỹ sư thiết kế Các phần mềm mô phỏng động cơ hiện đại cung cấp kết quả chính xác và thực hiện nhiều phép tính phức tạp mà phương pháp truyền thống không thể làm được Đặc biệt, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào độ tin cậy và hiệu quả của nó.

Hầu hết các phần mềm thiết kế hiện nay không thể tính toán chính xác các thông số cơ bản của động cơ và thường không phản ánh đúng công nghệ thực tế Do đó, chúng chủ yếu được sử dụng để mô phỏng và cung cấp thông tin về đặc tính, phân bố từ trường và mô phỏng nhiệt của động cơ.

Trong luận văn, học viên sẽ thực hiện tính toán sơ bộ thông qua phương pháp giải tích, đồng thời sử dụng phần mềm tính toán hiện đại để mô phỏng và điều chỉnh thiết kế.

Trình tự thiết kế

Các bước thiết kế chính được thực hiện như sau:

Để tính toán và lựa chọn kích thước stator, cần xác định các kích thước cơ bản như đường kính ngoài, đường kính trong và chiều dài lõi thép Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và hiệu suất của thiết bị Tham khảo thêm thông tin từ nguồn [14].

Để thiết kế hiệu quả cho dây quấn stator và rãnh stator, cần thực hiện các tính toán liên quan đến các thông số như số lượng rãnh, kiểu quấn dây, số vòng dây và loại dây quấn Việc tham khảo tài liệu là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác trong quá trình thiết kế.

 Tính chọn rotor: Tính chọn khe hở, đường kính ngoài, đường kính trục, kết cấu của lồng sóc Tham khảo [14]

 Tính toán kích thước và vị trí đặt nam châm: Xác đinh được vị trí đặt nam châm, các kích thước cơ bản của nam châm Tham khảo [17]

 Tính toán mạch từ động cơ: Thực hiện tính toán các thông số về mạch từ, tính toán dòng từ hóa Tham khảo [14] [17]

Để đánh giá chất lượng động cơ thiết kế, cần thực hiện tính toán các loại tổn hao và hiệu suất Qua bước này, chúng ta sẽ có được một bản tính toán sơ bộ cho động cơ Tham khảo [14] [17].

Tính toán nhiệt độ động cơ là bước quan trọng để xác định các điểm phát nhiệt và kiểm tra xem nhiệt độ làm việc có đạt yêu cầu và nằm trong giới hạn cho phép hay không Việc này giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của động cơ Tham khảo [18] [19] [20] [21] [22] [23].

Ứng dụng phần mềm tính toán hiện đại trong mô phỏng động cơ bao gồm việc sử dụng Simcenter Speed để mô phỏng thiết kế điện từ, kích thước cơ khí, hiệu suất, tổn hao và phân bố mật độ từ trường của động cơ Đồng thời, phần mềm Motor CAD được áp dụng để mô phỏng nhiệt cho động cơ đã được thiết kế sơ bộ.

Kiểm tra các thông số lựa chọn là rất quan trọng; nếu mật độ từ thông răng, rãnh và khe hở không khí trong tính toán sai lệch quá nhiều so với mô phỏng, cần phải điều chỉnh lại cho phù hợp.

Kiểm tra các đặc tính làm việc của động cơ là bước quan trọng sau khi thực hiện mô phỏng Nếu các đường đặc tính không đạt yêu cầu, cần điều chỉnh các thông số thiết kế cho phù hợp và sử dụng phần mềm để tính toán lại.

 Đưa ra biện pháp khắc phục: Thực hiện các thay đổi thiết kế để động cơ đạt yêu cầu

Kết quả thiết kế động cơ được trình bày trong luận văn chỉ tập trung vào mạch từ và dây quấn Do đó, bản vẽ lắp ráp động cơ cùng với kết quả tính toán sẽ được coi là hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh.

Trình tự thiết kế động cơ được trình bày trong sơ đồ dưới đây (Hình 2.1):

Hình 2.1 Sơ đồ khối các bước tính toán thiết kế động cơ điện

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ LSPMSM HIỆU SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP

Yêu cầu thiết kế

Động cơ LSPMSM hiệu suất cao và điện áp lớn được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng trong hầm mỏ hầm lò, yêu cầu có kết cấu kín chống bụi và nước Đồng thời, động cơ này cần đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn của động cơ phòng nổ để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

Các thông s ố ban đầ u để thi ế t k ế động cơ LSPMSM như sau:

Bảng 3.1 Thông số động cơ LSPMSM cần thiết kế

STT Thông số Ký hiệu Giá trị Tiêu chuẩn

1 Công suất định mức Pđm 11 kW

2 Điện áp định mức Uđm 380/660V ∆/Y

10 Kiểu làm mát TEFC IC411

11 Cấp bảo vệ IP54 Kín

12 Chế độ làm việc Liên tục S1

13 Kết cấu rotor Lồng sóc

14 Hệ số công suất cosφ 0,93

Tính toán thiết kế các kích thước động cơ

Tính chọn kích thước stator

Khi lựa chọn kích thước đường kính ngoài theo chiều cao tâm trục h, mục đích chính là tạo ra máy kinh tế hợp lý, đáp ứng các tiêu chuẩn nhà nước Tính kinh tế không chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo mà còn liên quan đến quy trình sản xuất trong nhà máy, bao gồm tính thông dụng của khuôn dập, vật đúc và các kích thước, chi tiết tiêu chuẩn hóa.

Hình 3.1 Chiều cao tâm trục của động cơ

Chiều cao tâm trục h của động cơ được xác định là khoảng cách từ đường tâm trục đến mặt tựa của máy, không tính chiều dày của tấm đệm điều chỉnh khi lắp đặt.

Chiều cao tâm trục của động cơ điện có công suất 11 kW và tốc độ quay 1500 vòng/phút là 160 mm, theo tài liệu [14].

Với chiều cao tâm trục h = 160 mm Theo (Bảng 10.3 - [14]) trị số của Dn theo h → Ta chọn được được Dn = 272 mm

Hỡnh 3.2 Cấu tạo ẵ lỏ thộp stator

Theo (Bảng 10.2 - [14]) với số cực 2p = 4 ta có hệ số kD = (0,64 ÷ 0,68) Với kD là quan hệ giữa đường kính trong D và đường kính ngoài Dn của stator k = D

4 Công suất tính toán P’: h LSPMSM MOTOR

11kW/660VAC/Y ÐINH XUÂN QUY?T

Với: kE = E/Uđm là hệ số phản sức điện động, là tỷ số giữa sức điện động không tải E của stator với điện áp định mức đầu vào Uđm

Trong đó: ɳ : Hiệu suất của động cơ cosφ : Hệ số công suất của động cơ

Pđm : Công suất định mức (kW)

P’ : Công suất tính toán (kVA) kE : Hệ số phản sức điện động

6 Chiều dài sơ bộ của lõi sắt stator l δ :

Sơ bộ chọn kd = 0,92 Theo (Trang 321 - [14]) với công suất dưới 100kW thì aδ.ks = (0,84 ÷ 0,87) Chọn aδ.ks = 0,85

Theo (Hình 11.4 - [14]) sơ bộ chọn A = 190 A/cm; Bδ = 0,6 T

Chiều dài sơ bộ lõi thép stator được tính theo công thức [14]: l = 6,1 10 P a k k A B D n= 6,1 10 12,3

→ Chọn sơ bộ chiều dài lõi thép là lδ = 170 mm

Trong đó: aδ : Hệ số xung cực từ ks : Hệ số dạng sóng kd : Hệ số dây quấn

Bδ : Mật độ từ thông tại khe hở không khí

A : Tải đường bằng n : Tốc độ đồng bộ của động cơ (vòng/phút)

Theo (Hình 11.5 - [14]) hệ số λ = (1 ÷ 1,8) là nằm trong vùng kinh tế Với hệ số λ = 1,2 thỏa mãn điều kiện trên

→ Do đó chiều dài lõi sắt stator, rotor bằng: l1 = l2 = lδ = 170 mm Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối

Trong đó: l1 : Chiều dài lõi sắt stator l2 : Chiều dài lõi sắt rotor lδ : Chiều dài sơ bộ của lõi sắt τ : Khoảng cách bước cực stator

8 Dòng điện pha định mức I P :

UP : Điện áp định mức pha

Pđm : Công suất định mức cosφ : Hệ số công suất ƞ : Hiệu suất động cơ

Tính toán dây quấn, rãnh stator và khe hở không khí

Số rãnh của một pha dưới mỗi cực ký hiệu là q1 Với q1 = (2 ÷ 6) Với máy công suất nhỏ thường lấy q1 = 2 Máy công suất lớn có thể chọn q1 = 6 Thường lấy q1 = (3 ÷ 4)

Khi q1 tăng, Z1 cũng tăng, dẫn đến diện tích rãnh tăng, làm giảm hệ số lợi dụng rãnh Điều này khiến cho răng trở nên yếu do mảnh, đồng thời quá trình làm lõi stator trở nên tốn kém hơn.

Khi q1 giảm thì Z1 giảm, dây quấn phân bố không đếu trên bề mặt lõi thép nên sức từ động có nhiều sóng bậc cao

Trị số q1 nguyên có thể cải thiện được đặc tính làm việc và giảm tiếng ồn của máy

Với động cơ công suất 11kW chọn q1 = 3 Số rãnh stator Z1 là:

Trong đó: q1 : Số rãnh một pha dưới mỗi cực p : Số cặp cực m : Số pha

3 Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh u r1 :

Chọn số mạch nhánh song song a1 = 4 u =A t a

A : Tải đường bằng t1 : Bước rãnh stator

IP : Dòng điện định mức pha

4 Số rãnh trên một bước cực : τ = Z

5 Số vòng dây nối tiếp của một pha w 1 : w = p q u a = 2.3.100

6 Tiết diện dây dẫn S Cu :

Mật độ dòng điện có thể chọn theo kinh nghiệm:

Với động cơ 2p = 4 Chọn mật độ dòng điện là: J1 = 4 A/mm 2

Tiết diện dây dẫn tính toán là S :

Theo bảng tiêu chuẩn lựa chọn dây dẫn tròn theo tiết diện (Phụ lục VI - [14]), dây dẫn được chọn có kích thước d/dcđ = 0,95/1,05 mm, dẫn đến tiết diện dây dẫn SCu đạt 0,709 mm².

Tính lại tiết diện dây dẫn kể cả cách điện: S1d

Trong đó: d : Đường kính dây dẫn chưa kể cách điện dcđ : Đường kính dây dẫn kể cả cách điện

Chọn kiểu dây quấn hai lớp dạng đồng khuôn, bối dây bước ngắn β=y τ =8

: Số rãnh trên một bước cực y1 : Bước dây quấn β : Tỷ số bước dây quấn

Với y1 = 8 là bước dây quấn chọn trong khoảng:       

Kiểu dây quấn trong động cơ có tác dụng giảm lượng đồng sử dụng, khử sóng bậc cao, và giảm từ trường tản ở bối dây cùng rãnh stator Điều này không chỉ làm tăng hệ số cosφ mà còn cải thiện đặc tính mở máy của động cơ, đồng thời giảm tiếng ồn điện từ trong quá trình vận hành Nếu sóng bậc cao không được khử, động cơ sẽ gặp phải nhiều hệ quả xấu.

 Tính năng mở máy xấu do các trường trên đặc tuyến mô-men (do sóng bậc

5 và 7 gây ra) làm cho động cơ không đạt đến tốc độ định mức

Nếu số răng của stator và rotor không khớp nhau, động cơ sẽ phát ra tiếng ồn điện trong quá trình hoạt động, và có thể dẫn đến tình trạng rotor bị hút lệch tâm do lực hút điện từ.

Sóng bậc cao gây tổn hao nhiệt trong lõi thép do tác động của dòng Foucault (dòng điện xoáy) Việc chọn bước ngắn phù hợp không thể loại bỏ hoàn toàn các sóng bậc cao, mà chỉ giúp giảm thiểu chúng xuống mức chấp nhận được.

Hệ số bước ngắn ky: k = sinβ.π

Hệ số bước rải kr: k =sinq α

Với α là góc điện giữa hai rãnh được xác định như sau: α = p.360

Hệ số dây quấn kd: k = k k = 0,98.0,96 = 0,94 PT 3.18

9 Từ thông khe hở không khí ϕ:

Với ks là hệ số dạng sóng Tra (Trang 321 - [14]) giá trị ks = (1,14 ÷ 1,16) Lấy ks = 1,15

Trong đó: kE : Hệ số phản sức điện động

Up : Điện áp định mức pha w1 : Số vòng dây quấn của một pha f : Tần số nguồn điện

10 Mật độ từ thông khe hở không khí B δ :

Với a δ là hệ số xung cực từ Tra (Trang 321 - [14]) giá trị a δ = (0,65 ÷ 0,68) Lấy a δ = 0,67

Với Bδ đã chọn là ban đầu là Bδ = 0,6 T, với giá trị tính toán được là Bδ 0,605 T Sai số là dưới 5% nên không cần chọn lại Kết quả Bδ = 0,6 T là thỏa mãn

11 Tính lại tải đường bằng A:

A =2 m w I π D =2.3.150.11,3 π 18 = 180 A/cm PT 3.21 Trong đó: w1 : Số vòng dây quấn một pha

IP : Dòng điện định mức pha m : Số pha

12 Sơ bộ chiều rộng của răng b’ z1 :

Chiều rộng rãnh stator Bz1 được xác định dựa trên kết cấu, bao gồm việc xem xét độ bền của răng và đánh giá khuôn dập cùng độ bền của khuôn Đồng thời, cần đảm bảo rằng từ thông qua răng Bz1 nằm trong giới hạn cho phép, thường là Bz1 < 2 T Công thức tính chiều rộng là b = B l t.

Bz1 : Mật độ từ thông răng stator kc : Hệ số ép chặt lõi thép

Tra (Bảng 10.5b - [14]), lấy Bz1 = 1,4 T Tra (Bảng 2.2 - [14]), lấy kc = 0,95

13 Sơ bộ chiều cao gông stator h’ g1 : h = ∅ 10

Với Bg1 là mật độ từ thông gông Tra (Bảng 10.5a - [14]), chọn Bg1 = 1,4 T

14 Kích thước rãnh và cách điện:

Stator của máy điện nhỏ có thể sử dụng các loại rãnh như hình quả lê, nửa quả lê hoặc hình thang, trong đó chiều rộng của răng luôn đồng đều suốt chiều cao của rãnh.

Rãnh được thiết kế để chứa số lượng dây dẫn phù hợp, bao gồm cả cách điện, đồng thời đảm bảo công nghệ chế tạo đơn giản Mật độ từ thông trên răng và gông không được vượt quá một mức nhất định nhằm duy trì hiệu suất tối ưu của máy.

Rãnh hình quả lê là loại rãnh có khuôn dập đơn giản nhất, với kích thước trở ở đáy rãnh nhỏ hơn so với hai dạng rãnh khác, giúp giảm sức từ động cần thiết trên răng Trong thiết kế ban đầu của động cơ LSPMSM, việc chọn rãnh hình quả lê không chỉ đơn giản hóa quá trình chế tạo khuôn dập mà còn giảm thiểu sức từ động cần thiết trên răng.

Hình 3.3 Cấu tạo rãnh stator

Trong đó: d1s : Đường kính nhỏ d2s : Đường kính lớn h1s : Chiều cao h1s h2s : Chiều cao rãnh stator h41s : Chiều cao miệng rãnh b41s : Chiều rộng miệng rãnh

Chiều cao miệng rãnh h41s thường lấy từ (0,5 ÷ 0,8) mm Chọn h41s = 0,5 mm Chiều rộng miệng rãnh b41s (Trang 65 - [14]): b41s = dcđ + (1,4 ÷ 1,6) mm Trong đó dcđ là đường kính dây kể cả cách điện

- Đường kính d1s được tính như sau:

Trên đường tròn có đường kính: (D + 2.h41s + d1s) ta có chu vi đường tròn:

- Đường kính d2s được tính như sau:

Trên đường tròn có đường kính: (Dn – d2s – 2.h’g1) ta có chu vi đường tròn:

- Chiều cao rãnh stator h2s được tính như sau: h =D −D−2 h

- Chiều cao h12s được tính như sau: h = h −h −d

Theo (Bảng VIII.1 - [14]) chiều dày cách điện của rãnh là C = 0,4 mm, của nêm là C’= 0,5 mm

- Diện tích rãnh trừ nêm S’r được tính như sau:

- Diện tích cách điện rãnh Scđ được tính như sau:

- Diện tích có ích của rãnh Sr được tính như sau:

- Hệ số lấp đầy rãnh kđr: k đ =u d đ

Trong đó: ur1 : Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh dcđ : Đường kính dây dẫn kể cả cách điện

- Bề rộng răng nhỏ nhất của stator bz1min: b =π [D + 2 (h + h )]

- Bề rộng răng lớn nhất của stator bz1max b =π (D + 2 h + d )

- Bề rộng răng trung bình của stator bz1: b =b + b

Để đảm bảo an toàn cho động cơ trong môi trường bụi và ẩm ướt, việc tránh tia lửa điện là rất quan trọng, do đó cần tuân thủ các yêu cầu về khe hở không khí theo tiêu chuẩn phòng nổ.

Khi lựa chọn khe hở không khí, cần chọn kích thước nhỏ để giảm dòng điện không tải và tăng hệ số công suất cosφ Tuy nhiên, khe hở quá nhỏ sẽ gây khó khăn trong quá trình chế tạo và lắp ráp, đồng thời làm tăng nguy cơ chạm giữa stator và rotor, dẫn đến tổn hao phụ và tăng điện kháng tản tạp của máy.

Khi chọn khe hở không khí, có thể dựa vào kinh nghiệm Khe hở này phụ thuộc vào kích thước đường kính ngoài của rotor, khoảng cách giữa hai ổ bi và đường kính trục.

Với những máy có công suất P ≤ 20kW Với 2p ≥ 4 thì: δ= 0,25 + D

Tính toán rãnh và gông rotor

Hỡnh 3.4 Cấu tạo ẵ lỏ thộp rotor

Việc lựa chọn số rãnh rotor lồng sóc Z2 là rất quan trọng do khe hở không khí của máy nhỏ, ảnh hưởng đến quá trình mở máy và đặc tính làm việc Để loại trừ mô-men phụ đồng bộ khi khởi động, cần đảm bảo rằng Z2 khác Z1 và Z2 không bằng 0,5Z1.

Z2 ≠ 2Z1; Z2 ≠ 6.p.g với g = (1 ÷ 3), và p là số cặp cực Để tránh lực hướng tâm do mô-men không đồng bộ sinh ra trong khi quay, cần chọn: (|Z2 - Z1| ≠ 0, 1, 2); (|Z2 - Z1| ≠ p, p+1); (|Z2 - Z1| ≠ 2p, 2p+1)

Z2 : Số rãnh của rotor p : Số cặp cực

Dựa vào các điều kiện trên và (Bảng 10.6 - [14]) → Chọn Z2 = 44 rãnh

3 Chiều dài lõi thép rotor l 2 :

Chọn chiều dài lõi thép rotor bằng chiều dài lõi thép stator ta có: l2 = l1 = lδ 170 mm

5 Đường kính trục của rotor D t :

Theo [14], đối với động cơ không đồng bộ, đường kính trục Dt nên được chọn bằng 0,3 lần đường kính trong D của stator Trong khi đó, đối với động cơ đồng bộ, cách chọn đường kính trục sẽ khác.

Dt bằng 0,25 lần đường kính trong D của stator Ta có:

6 Sơ bộ chiều rộng răng rotor b’ Z2 : b = B l t

Bz2 : Mật độ từ thông răng

Bδ : Mật độ từ thông khe hở không khí kc : Hệ số ép chặt lõi sắt

Tra (Bảng 10.5b - [14]), lấy Bz2 = 1,5 T Tra (Bảng 2.2 - [14]), lấy kc = 0,95

7 Dòng điện trong thanh dẫn rotor I td :

Trong đó: kI : Hệ số phụ thuộc cosφ của máy (Hình 10.5 - [14])

IP : Dòng điện định mức pha w1 : Số vòng dây nối tiếp của một pha stator kd : Hệ số dây quấn

8 Dòng điện trong vành ngắn mạch I V :

- Tiết diện thanh dẫn tính toán S’td:

Trong đó chọn mật độ dòng điện thanh dẫn là: Jtd = 3 A/mm 2

9 Tiết diện vành ngắn mạch S V :

Trong đó chọn mật độ dòng điện thanh dẫn là: JV = 3 A/mm 2

Theo (Trang 248 - [14]) với chiều cao tâm trục h ≤ 160 mm chọn dạng rãnh rotor hình quả lê như hình vẽ:

Hình 3.5 Cấu tạo rãnh rotor

Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến các thông số kỹ thuật quan trọng của rotor, bao gồm: d1r (đường kính nhỏ), d2r (đường kính lớn), h1r (chiều cao), h2r (chiều cao rãnh rotor), h41r (chiều cao miệng rãnh), b41r (chiều rộng miệng rãnh), a (chiều cao vành ngắn mạch) và b (chiều rộng vành ngắn mạch) Những thông số này là cần thiết để hiểu rõ hơn về cấu trúc và hiệu suất của rotor trong các ứng dụng kỹ thuật.

Theo (Trang 248 - [14]) ta có: Chiều cao miệng rãnh h41r thường lấy 1 mm

Chiều rộng miệng rãnh b41r từ (0,5 ÷ 1) mm → Chọn b41r = 0,5 mm

- Đường kính d2r được tính như sau:

Trên đường tròn có đường kính: (D’ - 2.h41r – d2r) ta có chu vi đường tròn:

- Đường kính d1r được tính như sau:

Tiết diện tính toán thanh dẫn S’td được tính sơ bộ như sau:

Trên đường tròn có đường kính: (D’ – 2.h41r – 2.h12r) ta có chu vi:

Từ 2 phương trình trên (PT 3.45 & PT 3.46) ta tính được:

- Tổng chiều cao rãnh rotor h2r: h = h + h +d

- Bề rộng răng lớn nhất của rotor bz2max: b =π (D −2 h −d )

- Bề rộng răng nhỏ nhất của rotor bz2min: b =π (D −2 h −2 h )

- Bề rộng răng trung bình của rotor bz2: b =b + b

13 Kích thước vành ngắn mạch (a x b):

- Chiều cao vành ngắn mạch a: a = 1,2.h2r = 1,2.13 = 16 mm

- Độ dày vành ngắn mạch b: b = = = 14 mm

- Đường kính vành ngắn mạch Dv:

Chọn rãnh thẳng không làm nghiêng.

Tính toán kích thước và vị trí đặt nam châm vĩnh cửu

1 Chọn số lượng và kiểu lắp nam châm Để tiết kiệm nam châm cũng như dễ dàng trong thiết kế [24] chọn nam châm dạng chữ I và gắn chìm rotor như hình dưới đây:

Hình 3.7 Bố trí nam châm vĩnh cửu

2 Chọn loại nam châm vĩnh cửu

Chọn nam châm NdFeB-N38H theo [25] nam châm vĩnh cửu có thông số như sau:

Bảng 3.2 Thông số nam châm vĩnh cửu NdFeB-N38H

Br : Mật độ từ dư

HcJ : Cường độ từ trường lớn nhất

HcB : Cường độ từ trường nhỏ nhất

Tw : Nhiệt độ làm việc lớn nhất của nam châm theo khuyến cáo

BHmax : Tích năng lượng cực đại

3 Tính toán kích thước nam châm

- Khoảng cách D1 lớn nhất D1max:

- Chiều rộng của nam châm Wm:

- Chiều dài của nam châm Hm:

- Thể tích nam châm vĩnh cửu Vm: Theo (Mục 5 - [17]) ta có:

Với kocf đ ; là hệ số quá tải Chọn kof = 2

Trong đó: kfd : Hệ số hình dáng từ hóa Chọn sơ bộ kfd = 1 kEC : Hệ số sức điện động (0,6 ÷ 0,95) Chọn kEC = 0,8 kocf : Hệ số quá tải

Pđm : Công suất định mức

Pmax : Công suất lớn nhất ξ : Hệ số sử dụng nam châm (0,3 ÷ 0,7) Chọn ξ = 0,4

Br : Mật độ từ dư

Hc : Cường độ từ trường cực đại

- Từ thể tích nam châm Vm như trên tính được độ dày nam châm Lm:

→ Chọn độ dày của nam châm Lm = 4 mm

- Khoảng cách từ tâm tới nam châm O1:

Để tối ưu hóa độ phủ của nam châm, chúng ta cần chọn chiều rộng phù hợp, nhằm tận dụng tối đa bề rộng của nó.

- Khoảng cách cầu nối Wf nhỏ nhất (khoảng cách DB):

Hình 3.8 Khoảng cách cầu nối W f

PT 3.58 Để đảm bảo yêu tố công nghệ và sự cứng vững của rotor, chọn Wf = Rib DB = 3 mm

Các thông số kích thước và bố trí của nam châm (Wm, Lm, Rib) có thể điều chỉnh để động cơ đạt được các tiêu chí kỹ thuật mong muốn.

Tính toán mạch từ động cơ

1 Hệ số khe hở không khí k δ :

Bề mặt rotor có rãnh ảnh hưởng đến từ thông khe hở không khí, do đó khi tính toán cần xem xét hệ số khe hở không khí để phản ánh sự ảnh hưởng này Theo tài liệu (Trang 97 - [14]), hệ số này được tính bằng công thức k = t t −v δ = 14,8.

- Trong đó v1, v2 được tính như sau:

→ Hệ số khe hở không khí kδ : kδ = kδ1 kδ2 = 1,12.1 = 1,12

2 Loại thép sử dụng trong mạch từ:

Mật độ từ thông tại điểm làm việc của thép tính toán trên động cơ dao động từ 1,1 T đến 1,7 T Do đó, thép hợp kim mã hiệu M300-35A với độ dày 0,35 mm được lựa chọn cho ứng dụng này.

3 Sức từ động khe hở không khí F δ :

4 Mật độ từ thông răng stator B Z1 :

5 Cường độ từ trường trên răng stator H z1 :

Ta có Hz1 = f (Bz1) Với giá trị của Hz1 tra ở bảng đường cong từ hoá [26] Với Bz1 = 1,3 T → Tra được Hz1 = 2,5 A/cm

6 Sức từ động trên răng stator F z1 :

Trong đó: h’z1 được tính như sau: h = h −d

7 Mật độ từ thông răng rotor B Z2 :

8 Cường độ từ trường trên răng rotor H z2 :

Ta có mối quan hệ giữa Hz2 và Bz2, với Hz2 được tra cứu từ bảng đường cong từ hóa Cụ thể, khi Bz21 = 1,4 T, Hz21 đạt giá trị 5,1 A/cm, và khi Bz22 = 1,5 T, Hz22 là 14,4 A/cm Áp dụng phương pháp nội suy tại Bz2 = 1,46 T, ta tính được Hz2 = 10,7 A/cm.

9 Sức từ động trên răng rotor F z2 :

Trong đó: h’z2 được tính như sau: h = h −d

10 Hệ số bão hòa răng k z : k = F + F + F

11 Mật độ từ thông trên gông stator B g1 :

12 Cường độ từ trường trên gông stator H g1 :

Ta có mối quan hệ Hg1 = f(Bg1), trong đó giá trị Hg1 được tra cứu từ bảng đường cong từ hoá Cụ thể, tại Bg11 = 1,3 T, Hg11 đạt 2,5 A/cm; và tại Bg12 = 1,4 T, Hg12 đạt 5,1 A/cm Sử dụng phương pháp nội suy cho Bg1 = 1,38 T, ta tính được Hg1 = 4,6 A/cm.

13 Chiều dài mạch từ ở gông stator L g1 :

14 Sức từ động ở gông stator F g1 :

15 Mật độ từ thông trên gông rotor B g2 :

16 Cường độ từ trường trên gông rotor H g2 :

Ta có mối quan hệ giữa Hz2 và Bz2, cụ thể là Hz2 = f(Bz2) Theo bảng đường cong từ hoá, khi Bz21 = 0,6 T thì Hz21 = 0,644 A/cm, và khi Bz22 = 0,7 T thì Hz22 = 0,72 A/cm Áp dụng phương pháp nội suy cho giá trị Bg2 = 0,62 T, ta tính được Hg2 = 0,66 A/cm.

17 Chiều dài mạch từ ở gông rotor L g2 :

18 Sức từ động ở gông rotor F g2 :

19 Tổng sức từ động của mạch từ F:

20 Hệ số bão hòa toàn mạch k μ : k = F

Dòng điện từ hóa tính theo đơn vị phần trăm:

Ip : Dòng điện định mức pha w1 : Số vòng dây quấn của một pha kd : Hệ số dây quấn p : Số cặp cực

F : Tổng sức từ động của mạch từ

Tham số của động cơ ở chế độ định mức

1 Chiều dài phần đấu nối của dây quấn stator l d1 : l = K τ + 2 B = 1,3.13,6 + 2.1 = 19,68 cm PT 3.81

Tra (Bảng 3.4 - [14]) Ta có hệ số: Kd1 = 1,3 và B = 1

Hình 3.9 Kích thước bối dây stator

- Với được tính như sau: τ =π (D + h ) y

Trong đó: y1 : Bước dây quấn

Z1 : Số rãnh của stator h2s : Chiều cao rãnh stator l 1 y

2 Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn stator l tb : l = l + l = 17 + 19,68 = 36,68 cm PT 3.83

3 Chiều dài dây quấn một pha stator L 1 :

Trong đó: ltb : Chiều dài trung bình nửa vòng dây quấn stator w1 : Số vòng dây nối tiếp của một pha

4 Điện trở tác dụng của dây quấn stator r 1 :

Trong đó: ρ : Điện trở suất của đồng tại 20 o C (ρ = 1,75.10 -8 Ωm) α : Hệ số nhiệt điện trở của đồng (α = 0,0039 K -1 )

∆T : Độ tăng nhiệt cách điện cấp F là 115 0 C

Trong đó: γ : Tỷ trọng của sắt (γ = 7,6.10 -6 kg/mm 3 ) bz1 : Độ rộng trung bình của răng stator h2s : Chiều cao rãnh stator

Z1 : Số rãnh của stator kc : Hệ số ép chặt lõi sắt

6 Trọng lượng gông từ stator G g1 :

Trong đó: γ : Tỷ trọng của sắt (γ = 7,6.10 -6 kg/mm 3 ) hg1 : Chiều cao gông của stator l1 : Chiều dài lõi thép stator

Dn : Đường kính ngoài stator kc : Hệ số ép chặt lõi sắt

Trong đó: γ : Tỷ trọng của sắt (γ = 7,6.10 -6 kg/mm 3 ) bz2 : Độ rộng trung bình của răng rotor h2r : Chiều cao rãnh rotor

Z2 : Số rãnh của rotor kc : Hệ số ép chặt lõi sắt l2 : Chiều dài lõi thép rotor

8 Trọng lượng gông từ rotor G g2 :

Trọng lượng thép trên rotor (Bao gồm cả phần trọng lượng xẻ rãnh để chứa nam châm vĩnh cửu) là Grnc:

Trọng lượng thép để xẻ rãnh để chứa nam châm vĩnh cửu là: Grvc

→ Trọng lượng gông từ rotor Gg2 là:

Tổn hao và hiệu suất động cơ

Tổn hao năng lượng trong động cơ điện được xác định ở chế độ ổn định, do đó chỉ cần xem xét tổn hao công suất trong một đơn vị thời gian Tổn hao công suất không chỉ giúp xác định hiệu suất của động cơ mà còn cho phép đánh giá độ chênh lệch nhiệt ở các bộ phận khác nhau của nó.

Động cơ LSPMSM, giống như các động cơ điện khác, sẽ tiêu tốn một lượng công suất tác dụng trong quá trình hoạt động Tổn hao này chủ yếu xuất phát từ một số chi tiết và bộ phận của động cơ Tuy nhiên, khi so sánh với động cơ không đồng bộ, tổn hao trên động cơ LSPMSM có những đặc điểm khác biệt đáng chú ý.

Rotor của động cơ LSPMSM quay với tốc độ đồng bộ, tương ứng với tốc độ của từ trường quay, do đó không có dòng cảm ứng bên rotor, dẫn đến việc không phát sinh tổn hao công suất tại đây Tổn hao trong động cơ LSPMSM chủ yếu xảy ra ở dây quấn stator, lõi thép stator, tổn hao cơ do quạt gió và ma sát ổ bi, cùng với tổn hao phụ khác.

Tổn hao trong động cơ điện LSPMSM gồm:

Tổn hao trong thép stator chủ yếu do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy khi từ thông chính thay đổi Tổn hao này bao gồm tổn hao thép ở gông (∆PFeg1) và tổn hao thép ở răng (∆PFer1) của stator.

Tổn hao trong đồng ∆PCu xảy ra do hiệu ứng Jun trong dây quấn stator Ngoài ra, tổn hao phụ ∆PPhu xuất hiện khi có tải, gây ra bởi sự đập mạch của từ thông tản trong động cơ điện xoay chiều hoặc do sự biến dạng của từ trường.

Tổn hao cơ trong hệ thống PCo chủ yếu do ma sát ở vòng bi và giữa không khí với các bộ phận quay Ngoài ra, tổn hao trên quạt gió cũng được tính vào tổng tổn hao cơ này.

Tổng tổn hao của động cơ LSPMSM là ∆P:

1 Tổn hao đồng trên dây quấn stator ∆P Cu :

IP : Dòng điện định mức pha r1 : Điện trở dây quấn 1 pha của stator

2 Tổn hao thép trên gông stator ∆P Feg1 :

Trong đó: kgcg : Hệ số gia công chế tạo gông (k = 1,6)

Gg1 : Trọng lượng gông stator

Bg1 : Mật độ từ thông trên gông stator p10: : Suất tổn hao của thép ở f = 50 Hz (p10 = 3 W/kg) f : Tần số nguồn điện

3 Tổn hao thép trên răng stator ∆P Fer1 :

Trong đó: kgcr : Hệ số gia công chế tạo răng (k = 1,8)

Gr1 : Trọng lượng răng stator

Bz1 : Mật độ từ thông trên răng stator p10: : Suất tổn hao của thép ở f = 50 Hz (p10 = 3 W/kg) f : Tần số nguồn điện

Trong đó: n : Tốc độ đồng bộ của động cơ

Dn : Đường kính ngoài của stator

Tổn hao phụ là các tổn hao điện từ chưa được tính trong tổn hao đồng và tổn hao mạch từ, bao gồm tổn hao do từ thông móc vòng qua các bộ phận của động cơ, chẳng hạn như nắp động cơ, gây ra dòng điện xoáy.

Tính tổn hao phụ rất phức tạp nên theo kinh nghiệm (Trang 468 - [27]) tổn hao phụ tính bằng 1% công suất định mức:

6 Tổng tổn hao của động cơ ∆P:

7 Hiệu suất của động cơ ȵ:

Với yêu cầu thiết kế ban đầu là η ≥ 93% Với tính toán giải tích, được kết quả là η = 92,5% → Kết quả thỏa mãn yêu cầu đề bài đặt ra

Tính toán kết cấu cơ khí cho động cơ

Kết quả thiết kế động cơ LSPMSM

Thiết lập thông số đầu vào

Kết quả mô phỏng

Tính toán các giá trị nhiệt trở trên sơ đồ mạch nhiệt

Thiết lập thông số đầu vào