BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VŨ THANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VŨ THANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƢU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện
Mã số: 62520202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. BÙI ĐÌNH TIẾU
2. TS. PHẠM HÙNG PHI

HÀ NỘI – 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tiêng tôi. Các số liệu, kết quả trình
bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất cứ cơng trình
nào khác!

Hà Nội, ngày ...... tháng ..... năm 2015
Người cam đoan

Nguyễn Vũ Thanh

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Bùi Đình Tiếu

TS. Phạm Hùng Phi

3


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin được bầy tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực
tiếp, PGS.TS Bùi Đình Tiếu và TS. Phạm Hùng Phi. Những người thầy tận tâm, thấu hiểu
và luôn tạo điều kiện nghiên cứu tốt nhất để tác giả có thể yên tâm thực hiện luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Phạm Văn Bình, TS. Nguyễn Hồng Thanh và
TS Lê Huy Bình. Ba thầy cơ đã dành thời gian quý báu của mình để đọc quyển và đưa ra
những nhận x t chỉnh sửa qu gi gi p cho t c giả hoàn thiện hơn bản luận án của mình.
Tác giả ln trân trọng cảm ơn TS. Bùi Đức Hùng, người đã hỗ trợ về công nghệ chế
tạo và trợ giúp nhiệt tâm cho mơ hình thực tế mà tác giả đã thực hiện. Người đã ln dành

thời gian để quan tâm và đóng góp những ý kiến quý giá giúp cho tác giả hoàn thành tốt
mơ hình thực tế của mình.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS. Phùng Anh Tuấn, TS. Đặng Quốc Vương, TS. Bùi
Minh Định và ThS. Hà Xn Hịa đã ln động viên và lắng nghe những trăn trở và thắc
mắc mà tác giả gặp phải trong quá trình thực hiện luận án của mình.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Văn Thịnh đã luôn động viên và
chỉ bảo những kinh nghiệm quý giá của mình giúp cho tác giả vượt qua những qng
đường khó khăn trong nghiên cứu khoa học.
T c giả trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng Viện trưởng Viện nghiên cứu
quốc tế về khoa học k thuật t nh to n DASI đã tạo điều kiện thuận lợi cho ph p t c giả
sử dụng chương trình phần mềm Ansoft Maxwell 2D tại ph ng nghiên cứu của Viện để
thực hiện bài to n mô phỏng FEM cho động cơ.
T c giả trân trọng cảm ơn Th.S Lê Xuân Đại công t c tại Viện DASI thuộc trường Đại
học B ch khoa Hà Nội. Người đã hết l ng hỗ trợ t c giả trong việc triển khai thuật to n di
truyền trong phần mềm Ansoft Maxwell 2D.
Tác giả trân trọng cảm ơn Tập thể các thầy cô, các bạn đồng nghiệp của bộ môn Thiết
Bị Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất để tác giả
hoàn thành tốt nội dung luận án của mình.
Cuối cùng, tác giả thực sự cảm động và từ đ y l ng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến
các Bậc sinh thành và người vợ yêu qu cùng c c con thân u đã ln ở bên tác giả những
l c khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh
thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong q trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án
này.
Tác giả luận án

Nguyễn Vũ Thanh
4


MỤC LỤC

Trang
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................ 8
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 15
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ ................................................................ 16
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 19
1.

2.

CHƯ NG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 22
1.1

So sánh giữa động cơ IM và động cơ LSPMSM............................................... 23

1.2

Mơ hình hóa động cơ LSPMSM ....................................................................... 25

1.3

Cấu tr c rotor động cơ LSPMSM ..................................................................... 27

1.4

Thuật to n thiết kế ............................................................................................. 29

1.5

Các nghiên cứu hỗ trợ thiết kế .......................................................................... 29


1.6

Tối ưu động cơ .................................................................................................. 33

1.7

Công cụ mô phỏng ............................................................................................ 33

1.8

Kết luận ............................................................................................................. 34

CHƯ NG 2: M H NH LI N KẾT GIỮA M CH ĐIỆN – TỪ TRƯỜNG ........ 36
2.1

Mơ hình nam châm v nh cửu............................................................................. 36

2.2

Mơ hình trường điện từ ..................................................................................... 37

2.2.1

Hệ tọa độ t nh ............................................................................................. 37

2.2.2

Hệ tọa độ động ........................................................................................... 38

2.3


Phương trình mạch điện .................................................................................... 39

2.3.1

X t trường hợp thanh dẫn .......................................................................... 39

2.3.2

Phương trình mạch điện – từ trường dây quấn stator ................................ 40

2.3.3

Phương trình mạch điện – từ trường thanh dẫn lồng sóc ........................... 43

2.4

Phương trình chuyển động ................................................................................ 45

2.5

Xử l kết quả sau mô phỏng.............................................................................. 46

2.5.1

T nh hiệu suất............................................................................................. 46

2.5.1.1 Công suất đầu ra ................................................................................... 46
2.5.1.2 Tổng tổn thất ........................................................................................ 46
2.5.2

2.6

T nh hệ số công suất cos.......................................................................... 48

Mô phỏng động cơ LSPMSM 7,5kW ............................................................... 49

2.6.1

Về stator ..................................................................................................... 49

2.6.2

Về dây quấn stator ..................................................................................... 50
5


2.6.3

Về rotor ...................................................................................................... 50

2.6.4

Về nam châm v nh cửu .............................................................................. 51

2.6.5

Điều kiện biên và chia lưới ........................................................................ 51

2.6.5.1 Điều kiện biên ...................................................................................... 51
2.6.5.2 Thực hiện chia lưới .............................................................................. 53

2.7

2.7.1

Mật độ từ thông và sức điện động cảm ứng ............................................... 54

2.7.2

Hiệu năng ở qu trình qu độ ..................................................................... 55

2.7.3

Hiệu năng ở qu trình x c lập .................................................................... 57

2.8
3.

Kết quả mơ phỏng động cơ LSPMSM 7,5kW .................................................. 53

Kết luận ............................................................................................................. 58

CHƯ NG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN TỪ Đ NG C LSPMSM ................................... 59
3.1

T nh to n mật độ từ thông điểm làm việc nam châm v nh cửu ......................... 59

3.1.1

Phân t ch mật độ từ thông nam châm tại điểm làm việc ............................ 59


3.1.2

X c định mật độ từ thông răng và gông của stator và rotor. ...................... 61

3.1.2.1 Mật độ từ thông răng của stator và rotor. ............................................. 61
3.1.2.2 Mật độ từ thông gông stator và rotor. .................................................. 62
3.1.2.3 T nh to n mật độ từ thông nam châm v nh cửu tại điểm làm việc. ...... 62
3.1.2.4 Kết quả nghiên cứu .............................................................................. 64
3.2

Khảo s t ảnh hưởng của k ch thước nam châm đến
mật độ từ thông khe hở không kh .................................................................... 68

3.3

X c định điều kiện thiết kế để động cơ LSPMSM có hệ số cos  1 ............... 69

3.3.1

Điều kiện để động cơ có hệ số cos  1 .................................................... 69

3.3.2

Kết quả khảo s t ......................................................................................... 72

3.3.2.1 Kiểm tra điều kiện cos  1 ................................................................. 73
3.3.2.2 T nh gi trị cos ................................................................................... 74
3.4

Thuật to n thiết kế chi tiết động cơ LSPMSM .................................................. 74


3.4.1

Thuật to n thiết kế điện từ động cơ LSPMSM .......................................... 74

3.4.2

Thiết kế động cơ 7,5kW ............................................................................. 81

3.5

Kết quả khảo s t thực nghiệm ........................................................................... 81

3.5.1

Kết cấu động cơ thực nghiệm .................................................................... 82

3.5.2

Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 82

3.5.2.1 Hệ thống thực nghiệm .......................................................................... 82
3.5.2.2 Sức điện động ....................................................................................... 83
6


3.5.2.3 Điện p và d ng điện............................................................................ 86
3.6
4.


Kết luận ............................................................................................................. 88

CHƯ NG 4: T I ƯU Đ NG C LSPMSM 7,5kW ............................................. 90
4.1

Kh i qu t về tối ưu hóa ..................................................................................... 90

4.2

Phân loại ............................................................................................................ 90

4.3

Phương ph p leo đồi và thuật to n di truyền ..................................................... 91

4.4

Tối ưu động cơ LSPMSM 7,5 kW .................................................................... 92

4.4.1

Nhiệm vụ tối ưu động cơ LSPMSM .......................................................... 93

4.4.2

Khởi tạo khơng gian tìm kiếm ................................................................... 94

4.4.3

C c ràng buộc dùng trong chương trình .................................................... 95


4.5

Xây dựng mục tiêu và hàm chi ph tổng ........................................................... 95

4.5.1

Mục tiêu về hiệu suất ................................................................................. 95

4.5.2

Mục tiêu về hệ số công suất cos .............................................................. 95

4.5.3

Mục tiêu về thể t ch nam châm .................................................................. 95

4.5.4

Hàm chi ph tổng........................................................................................ 96

4.5.5

Lưu đồ thuật to n cho chương trình t nh tối ưu ......................................... 97

4.5.5.1 Thế hệ ban đầu ..................................................................................... 97
4.5.5.2 Bước đ nh gi ...................................................................................... 98
4.5.5.3 Bước lựa chọn ...................................................................................... 99
4.5.5.4 Bước lai tạo và biến dị ......................................................................... 99
4.5.5.5 Thế hệ tiếp theo .................................................................................. 100

4.6

Kết quả chương trình tối ưu ............................................................................ 101

4.7

Kiểm tra lại kết quả tối ưu ............................................................................... 102

4.7.1

Mật độ từ thông và sức điện động cảm ứng ............................................. 102

4.7.1

Hiệu năng ở qu trình qu độ ................................................................... 104

4.7.2

Hiệu năng ở qu trình x c lập .................................................................. 105

4.8
5.

Kết luận ........................................................................................................... 106

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................................. 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 111
DANH MỤC C C C NG TR NH Đ C NG B CỦA LUẬN N ....................... 118

PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 119

7


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu /
Viết tắt
A
AM
a
a1
B
Bg
Bm

Br
Bts
Btr
Bsy
Bry
Bs0
Bs1
Bs2
b
bb
btr
bts
C1
Cost

D
DAI-Labvol
DC
D1
Dlmax
Dn
Dnr
Dnv
Dtr
Dtv
Dvr
d
dcd
E

Đơn vị
Wb.m-1
m
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
m

m
m
m
m
m
m

m

m
m
m
m
m
m
m
m
m
m
Vm-1

Ý nghĩa
Vecto từ thế
Phương ph p giải tích
Chiều rộng vành ngắn mạch
Số mạch nhánh song song
Mật độ từ thơng
Mật độ từ thơng khe hở khơng khí
Mật độ từ thơng khe hở khơng khí tối ưu
Mật độ từ thơng điểm làm việc của nam châm

Giá trị tính tốn của mật độ từ thông nam châm
Biên độ thành phần từ thông xoay chiều bậc 1
Mật độ từ thông dư
Mật độ từ thông răng stator
Mật độ từ thông răng rotor
Mật độ từ thông gông stator
Mật độ từ thông gông rotor
Độ mở miệng rãnh stator hoặc rotor
Đường kính nhỏ rãnh stator hoặc đường kính lớn rãnh rotor
Đường kính lớn rãnh stator hoặc đường kính nhỏ rãnh rotor
Chiều cao vành ngắn mạch
Cung đế cực
Chiều rộng răng rotor
Chiều rộng răng stator
Hệ số m y điện
Hàm chi phí tổng
Đường kính trong stator
Hệ thống thu thập số liệu của hãng Labvol
Động cơ một chiều
Đường k nh đường tròn ngoại tiếp nam châm
Đường k nh đường tròn ngoại tiếp lớn nhất
Đường kính ngồi stator
Đường kính ngồi rotor
Đường kính ngồi vành ngắn mạch
Đường kính trục rotor
Đường kính trong vành ngắn mạch
Đường kính trung bình của vịng ngắn mạch
Đường kính dây dẫn
Đường kính dây dẫn có kể đến c ch điện
Cường độ điện trường

8


EMF
Enc
Fg
Ftr
Fts
Fsy
Fry
FEA
FEM
FM
f
fđm
GA
Gt1
Gy1
G1
G2
G3
g
ge

V
A.v ng
A.v ng
A.v ng
A.v ng
A.v ng


Hz
Hz
kg
kg

m
m
m
m

Sức điện động
Sức điện động cảm ứng của nam châm
Sức từ động khe hở không khí
Sức từ động răng rotor
Sức từ động răng stator
Sức từ động gơng stator
Sức từ động gơng rotor
Phân tích phần tử hữu hạn
Phương ph p phần tử hữu hạn
Phương ph p FEM
Tần số
Tần số định mức
Thuật toán di truyền
Trọng lượng răng stator
Trọng lượng gông stator
Hàm mục tiêu về hiệu suất
Hàm mục tiêu về hệ số công suất cos
Hàm mục tiêu về thể tích nam châm
Độ rộng khe hở khơng khí

Khe hở không kh tương đương theo trục d
Độ rộng khe hở khơng khí hiệu quả
Khe hở khơng kh tương đương theo trục q

H
Hci
Hi
Hm
Htr
Hts
Hsy
Hry
Hs0
Hs2
hry
hsl
hsy
ht
IM
IPM
Itj
[ ]

A/m
A/m
A/m
A/m
A/m
A/m
A/m

A/m
m
m
m
m
m
m

A
A

Cường độ từ trường
Độ kháng từ nội
Độ kháng từ
Cường độ từ trường của điểm làm việc nam châm
Cường độ từ trường răng rotor
Cường độ từ trường răng stator
Cường độ từ trường gông stator
Cường độ từ trường gông rotor
Chiều cao miệng rãnh stator hoặc rotor
Chiều cao phần thẳng rãnh stator hoặc rotor
Chiều cao gơng rotor
Chiều cao tồn bộ rãnh stator
Chiều cao gông stator
Độ dầy lá thép
Động cơ không đồng bộ
Động cơ đồng bộ nam châm gắn chìm
D ng điện chạy qua thanh dẫn lồng sóc thứ j
Ma trận d ng điện các thanh dẫn


[ ]
I1

A

Ma trận d ng điện của c c đoạn ngắn mạch

A

D ng điện pha định mức
9


Id
Iq
i(t)
If
Ikđ
J
J1
Jj
Kc
Klm
kc
kđ
kdq
kE
ke
kfq
kfd

kFe
kh
ki
km
ksat
kt
kr1
ky
L
Lb
Lj
Lm
Ln
Ls

A
A
A
A
A
A/mm2
A/mm2
A/mm2

m
m
m
m
H
m

H

Thành phần d ng điện trục d
Thành phần d ng điện trục q
D ng điện pha được tính bắt đầu từ thời điểm xác lập t1
Giá trị hiệu dụng của d ng điện pha
Dòng khởi động
Mật độ d ng điện
Mật độ d ng điện stator
Mật độ d ng điện của thanh dẫn thứ j
Hệ số Carter
Hệ số từ thơng rị
Hệ số tổn thất lõi theo dịng xốy
Hệ số lấp đầy
Hệ số dây quấn stator
Hệ số sức điện động
Hệ số tổn thất dị thường
Hệ số hình dáng từ hóa ngang trục
Hệ số hình dáng từ hóa dọc trục
Hệ số ép chặt lá thép
Hệ số tổn thất lõi theo mắt trễ
Bội số dòng khởi động
Bội số momen
Hệ số bão hòa
Hệ số tổn thất lõi
Hệ số quấn rải
Hệ số bước ngắn
Chiều dầy cuộn dây theo hướng z
Chiều dài thanh dẫn lồng sóc
Chiều dài thanh dẫn thứ j

Chiều dầy nam châm
Điện cảm cuộn dây stator
Chiều dài tác dụng của lõi sắt stator
Điện cảm vòng dây thứ j

Ltj

m
H

Chiều dài thanh dẫn lồng sóc thứ j
Ma trận điện cảm của từng đoạn ngắn mạch

m
m
m
m
m
m

Động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực
tiếp từ lưới
Chiều dài cuộn dây có t nh đến phần đầu nối
Chiều dài đường mạch từ
Chiều dài phần đầu nối
Chiều dài gông stator
Chiều cao răng stator
Chiều cao răng rotor

[ ]

LSPMSM
lc
lmag
lle
lsy
lts
ltr

10


lry
M
Mđm
Mđt
Mdb
Mch
Mkd
Mls
Mms
Mp
Mpk
MT
m
NdFeB
nđc
O1
O1max
PC
Pc

Pđm
Pe
PEIM
Ph
PMSM
Pin
Pout
ΔPcơ
ΔPcu
ΔPFe
ΔPphụ
∑
p
pc
pm
p10
Δpt1
Δpy1
q
(Rb)20
(Rb)75
(Re)20
(Re)75

m
Nm
Nm
Nm
Nm
Nm

Nm
Nm
Nm
Nm
Nm

vph
m
m
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W
W

W/kg
W
W
Ω
Ω
Ω
Ω

Chiều dài gơng rotor

Vecto từ hóa
Momen định mức
Momen điện từ
Momen đồng bộ
Momen ch nh
Momen khởi động
Momen lồng sóc
Momen ma sát
Momen cản
Momen phản kháng
Momen tải trên trục động cơ
Số pha động cơ
Nam châm đất hiếm
Tốc độ động cơ
Khoảng cách nam châm so với tâm trục
Khoảng cách nam châm lớn nhất so với tâm trục
Hệ số từ thẩm
Thành phần tổn thất do d ng điện xốy gây ra
Cơng suất định mức của động cơ
Thành phần tổn thất dị thường
Động cơ không đồng bộ cấp hiệu suất premium
Thành phần tổn thất do mắt trễ từ hóa B-H
Động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu
Công suất điện đầu vào
Công suất đầu ra trên trục động cơ
Tổn thất cơ
Tổn thất đồng trên dây quấn stator
Tổn thất lõi sắt
Tổn thất phụ
Tổng tổn thất trong động cơ

Số cặp cực
Tốc độ lai tạo
Tốc độ biến dị
Suất tổn hao của thép
Tổn thất th p trên răng stator
Tổn thất thép trên gông stator
Số rãnh một pha dưới một cực
Điện trở thanh dẫn rotor ở 200C
Điện trở thanh dẫn rotor ở 750C
Điện trở vòng ngắn mạch rotor ở 200C
Điện trở vòng ngắn mạch rotor ở 750C
11


Rj
Rlsj

Rs
Rr
[
(
(

]
)
)

S
Sg
Snc

Sr
Sr1
Sry
Ssy
Std
Sv
s
sk
spmax
sj
svg
sd
stj
SPM
SynRM
t1
t2
Uf
U1
ur1
Vcu
Vdd

Vnc
[

]
Vx

Ω

Ω
Ω

Điện trở một chiều trên thanh dẫn thứ j
Điện trở thanh dẫn lồng sóc thứ j
Điện trở vịng dây thứ j

Ω
Ω
Ω
Ω

Điện trở rotor quy đổi về phía stator
Điện trở pha cuộn dây stator
Điện trở rotor
Ma trận điện trở của từng đoạn ngắn mạch

Ω
Ω
m2
m2
m2
m2
m2
m2
m2
m2
m2

Điện trở stator ứng với d ng điện một chiều ở nhiệt độ 750C

Điện trở stator ứng với d ng điện một chiều ở nhiệt độ 200C
Tiết diện hiệu quả của mạch từ
Diện tích khe hở khơng kh dưới 1 bước cực
Diện tích nam châm
Tiết diện hữu ích của rãnh
Tiết diện rãnh tính cả nêm
Diện tích gơng rotor
Diện tích gơng stator
Tiết diện thanh dẫn lồng sóc
Diện tích vành ngắn mạch
Hệ số trượt
Hệ số trượt ứng với momen max
Hệ số trượt ứng với momen cản lớn nhất
Tiết điện ngang của thanh dẫn thứ j
Tiết điện ngang của vòng dây
Tiết diện dây dẫn
Tiết diện ngang của thanh dẫn lồng sóc thứ j
Động cơ nam châm gắn bề mặt
Động cơ phản kh ng đồng bộ
Thời điểm bắt đầu tính thời gian xác lập
Thời điểm kết thúc khoảng thời gian xác lập
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha
Điện áp nguồn cấp
Số lượng thanh dẫn trong một rãnh
Điện áp cảm ứng trên thanh dẫn
Điện áp cảm ứng trên dây quấn pha stator
Điện thế dây dẫn
Điện thế thanh dẫn với d ng điện đi vào
Điện thế thanh dẫn với d ng điện đi ra
Thể tích nam châm

Thể tích nam châm tối ưu

m2
m2
m2
m2

s
s
V
V
Thanh
V
V
V
V
V
m3
m3
V

Ma trận c c điện thế trên thanh dẫn

V

Thế tại điểm x
12


Vy

Wf
Wm

V
m
m
m

Wmmax
W1
Xb
Xad
Xaq
Xd
Xq
Xm
X1
Xr

m
vịng
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω

Ω

Xv
, Z2
Z1
, Kí hiệu chữ la tinh
χm
μrm
ζ
Ω-1m-1
μ
Hm-1
μ0
Tm/A
θ
V
ζr(t)
rad
ρv
kg/m3
ρAL)20
Ωm2/m
η
m
ηr
m
ηs
m
Φ
Wb

Φm
Wb
Φg
Wb
Φtr
Wb
Φts
Wb
Φsy
Wb
Φry
Wb
Wb
Wb

Thế tại điểm y
Khoảng cách cầu nối
Chiều rộng nam châm
Chiều rộng nam châm tối ưu
Chiều rộng nam châm lớn nhất
Số lượng vòng dây trên một pha dây quấn
Điện kháng tản thanh dẫn rotor
Điện kháng từ hóa dọc trục
Điện kháng từ hóa ngang trục
Điện kh ng đồng bộ dọc trục
Điện kh ng đồng bộ ngang trục
Điện kháng từ hóa
Điện kháng tản pha stator
Điện kháng tản rotor
Điện kháng tản rotor quy đổi về phía stator

Điện kháng tản vành ngắn mạch rotor
Ma trận vuông chuyển đổi Y
Số rãnh rotor
Số rãnh stator
Ma trận vuông chuyển đổi Z
Độ cảm từ
Độ từ thẩm tương đối
Điện dẫn suất
Độ từ thẩm
Độ từ thẩm của khơng khí
Điện thế vơ hướng
Vị trí rotor
Mật độ khối
Điện trở suất của nhôm ở 200C
Bước cực
Bước rãnh rotor
Bước rãnh stator
Từ thông dưới một bước cực
Từ thông nam châm
Từ thơng khe hở khơng khí
Từ thơng khe hở khơng kh đi qua răng rotor
Từ thông khe hở không kh đi qua răng stator
Từ thông khe hở không kh đi qua gông stator
Từ thông khe hở không kh đi qua gông rotor
Từ thông khe hở không kh dưới một bước răng stator
Từ thông khe hở không kh dưới một bước răng rotor
13


Wb

δ
γ
γFe
β
δ
α
αi
αT
λld
λle
λls
λlt
ε
εmin
εmax
ε1
ε2
ε3

rad
rad
kg/m3

Độ
(0C)-1

Một nửa từ thông khe hở không kh dưới 1 bước cực
Góc tải
Góc momen
Trọng lượng riêng của thép

Hệ số bước ngắn
Hệ số cung cực từ
Góc cực
Hệ số hình dáng mật độ từ thông
Hệ số nhiệt điện trở
Hệ số từ dẫn tản tạp
Hệ số từ dẫn tản phần đầu nối
Hệ số từ dẫn tản rãnh stator
Hệ số từ dẫn phần đỉnh răng
Hiệu suất động cơ
Hiệu suất định mức tối ưu
Hiệu suất động cơ nhỏ nhất
Hiệu suất động cơ lớn nhất
Sai lệch của mục tiêu hiệu suất
Sai lệch của mục tiêu hệ số cơng suất
Sai lệch của mục tiêu thể tích

14


DANH MỤC CÁC BẢNG
B n 1.1 So s nh độ ch nh x c giữa c c công cụ FEM ................................................. 34
B n 2.1 Thông số stator động cơ LSPMSM 7,5kW ..................................................... 49
B n 2.2 Thông số dây quấn stator động cơ LSPMSM 7,5kW ..................................... 50
B n 2.3 Thông số rotor động cơ LSPMSM 7,5kW ...................................................... 50
B n 2.4 Thông số nam châm v nh cửu động cơ LSPMSM 7,5kW .............................. 51
B n 3.1 Kết quả phân t ch trong ba trường hợp của động cơ 2.2kW ........................... 64
B n 3.2 Kết quả so s nh giữa hai phương ph p của động cơ 2.2kW ........................... 65
B n 3.3 Thông số stator của động cơ LSPMSM 550W ............................................... 72
B n 3.4 Thông số rãnh stator, dây quấn và rotor của động cơ LSPMSM 550W ......... 72

B n 3.5 Thông số rãnh rotor của động cơ LSPMSM 550W ........................................ 73
B n 3.6 Thông số nam châm của động cơ LSPMSM 550W........................................ 73
B n 3.7 Kết quả mô phỏng của động cơ LSPMSM 550W .......................................... 73
B n 4.1 So s nh hiệu suất và cos ............................................................................... 93
B n 4.2 Khơng gian tìm kiếm của c c biến tối ưu ....................................................... 94
B n 4.3 C c gi trị tối ưu gần nhất ............................................................................. 101
B n

.1 Thông số của nam châm NdFeB 45 ............................................................. 128

B n

.2 Mật độ từ thông trong động cơ 7,5kW ......................................................... 129

B n B.1 Kết quả đo đặc t nh B-H th p B50-A800 ..................................................... 137
B n

.1 Thông số stator của động cơ thử nghiệm ..................................................... 138

B n

.2 Thông số dây quấn stator của động cơ thử nghiệm...................................... 139

B n

.3 Thông số rotor động cơ thử nghiệm ............................................................. 139

B n

.4 Thông số k ch thước và vị tr nam châm v nh cửu....................................... 139



DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỜ THỊ
ình 1.1 Mức hiệu suất định mức của động cơ LSPMSM thương mại 4 cực, 50Hz,
với cấp công suất từ 0,55 kW đến 7,5kW ....................................................... 23
ình 1.2 So s nh về hiệu suất và hệ số công suất giữa
động cơ LSPMSM và IM ................................................................................ 24
ình 1.3 Những cấu tr c rotor động cơ LSPMSM ........................................................ 27
ình 1.4 Cấu tr c rotor với thanh dẫn đối xứng a , không đối xứng b ...................... 29
ình 1.5 Đường cong Mordey ....................................................................................... 30
ình 1.6 So s nh về gi tương đối giữa động cơ IM và LSPMSM ............................... 35
ình 2.1 Đặc t nh khử từ của nam châm v nh cửu ........................................................ 36
ình 2.2 Mơ hình một thanh dẫn. a thanh dẫn, b mơ hình thanh dẫn....................... 40
ình 2.3 Mơ hình một v ng dây .................................................................................... 40
ình 2.4 Mơ hình một cuộn dây .................................................................................... 41
ình 2.5 Sơ đồ đấu dây ph a stator động cơ, a đấu , b đấu Y ................................ 42
ình 2.6 Sơ đồ tương đương lồng sóc động cơ ............................................................. 43
ình 2.7 C c đường đặc t nh tổn thất theo c c tần số kh c nhau từ
50Hz – 2000Hz của th p M800-50A hãng ThyssenKrupp Steel ................. 48
ình 2.8 Kết cấu rãnh stator .......................................................................................... 49
ình 2.9 Kết cấu rãnh rotor a và k ch thước bố tr nam châm b ............................... 50
ình 2.10 Điều kiện biên Dirichlet của động cơ LSPMSM .......................................... 51
ình 2.11 V dụ về điều kiện biên periodic ................................................................... 52
ình 2.12 V dụ về điều kiện biên anti-periodic ............................................................ 52
ình 2.13 Điều kiện biên anti-periodic dùng cho động cơ LSPMSM ........................... 52
ình 2.14 Chia lưới thơ a , lưới mịn b cho động cơ LSPMSM ................................. 53
ình 2.15 Lưu đồ thực hiện chia lưới cho động cơ LSPMSM ...................................... 53
ình 2.16 Dạng sóng mật độ từ thơng tại khe hở khơng kh động cơ ........................... 54
ình 2.17 Phân t ch chuỗi Fourier của mật độ từ thông động cơ LSPMSM 7,5kW ..... 54
ình 2.18 Dạng sóng sức điện động động cơ LSPMSM 7,5kW ................................... 54

ình 2.19 Dạng sóng mômen và tốc độ động cơ LSPMSM 7,5kW ở gi trị định mức 55
ình 2.20 Đặc t nh động mơmen tải theo tốc độ ........................................................... 55
ình 2.21 Dạng sóng tổn thất sắt động cơ LSPMSM 7,5kW ........................................ 56
ình 2.22 Dạng sóng tổn thất đồng stator động cơ LSPMSM 7,5kW ........................... 56
ình 2.23 Góc lệch pha giữa U và I của động cơ 7,5kW ở chế độ x c lập ................... 57
16


ình 2.24 Công suất đầu ra trên trục động cơ LSPMSM 7,5kW .................................. 57
ình 3.1 Đường từ thơng ch nh trong động cơ LSPMSM ............................................. 59
ình 3.2 Thuật to n x c định mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm ............... 63
ình 3.3 Kết cấu rãnh rotor a , rãnh stator b của động cơ 2,2kW ............................. 64
ình 3.4 Mật độ từ thơng tại khe hở khơng kh trong trường hợp 1 .............................. 65
ình 3.5 Phân t ch chuỗi Fourier trong trường hợp 1 Bg = 0,488 (T)) ......................... 66
ình 3.6 Mật độ từ thơng điểm làm việc của nam châm trong trường hợp 1 ................ 66
ình 3.7 Mật độ từ thông tại khe hở không kh trong trường hợp 2 .............................. 66
ình 3.8 Phân t ch chuỗi Fourier trong trường hợp 2 Bg = 0,494 (T)) ......................... 66
ình 3.9 Mật độ từ thơng điểm làm việc của nam châm trong trường hợp 2 ................ 66
ình 3.10 Mật độ từ thông tại khe hở không kh trong trường hợp 3 ............................ 67
ình 3.11 Phân t ch chuỗi Fourier trong trường hợp 3 Bg = 0,452 (T)) ....................... 67
ình 3.12 Mật độ từ thơng điểm làm việc của nam châm trong trường hợp 3 .............. 67
ình 3.13 Mật độ từ thông Bg khi thay đổi độ dầy nam châm ...................................... 68
ình 3.14 Mật độ từ thơng Bg khi thay đổi độ rộng nam châm ..................................... 69
ình 3.15 Giản đồ vecto động cơ LSPMSM, khi Id > 0 ................................................ 70
ình 3.16 X c định U1cos và U1sin ........................................................................... 70
ình 3.17 Giản đồ vecto động cơ LSPMSM, khi Id < 0 ................................................ 71
ình 3.18 K ch thước rãnh rotor .................................................................................... 72
ình 3.19 Sơ đồ khối thuật to n thiết kế tổng thể.......................................................... 75
ình 3.20 Thuật to n thiết kế stator ............................................................................... 76
ình 3.21 Thuật to n thiết kế rotor ................................................................................ 77

ình 3.23 K ch thước cầu nối Wf khoảng c ch DB ................................................... 78
ình 3.24 Thuật to n kiểm tra ....................................................................................... 79
ình 3.25 Thuật to n kiểm tra tiếp .............................................................................. 80
ình 3.26 Hệ thống đo động cơ thực nghiệm ................................................................ 82
ình 3.27 Dạng sóng EMF đo b ng oscillo với mẫu 1 .................................................. 84
ình 3.28 Dạng sóng EMF thơng qua mơ hình liên kết mạch điện – từ trường ............ 84
ình 3.29 Dạng sóng EMF đo b ng oscillo ................................................................... 85
ình 3.30 Dạng sóng EMF thơng qua mơ hình liên kết mạch điện – từ trường ............ 85
ình 3.31 Dạng sóng điện p và d ng điện pha đo b ng oscillo với mẫu 1 .................. 86
ình 3.32 Dạng sóng điện p và d ng điện pha của mơ hình
liên kết mạch điện – từ trường ...................................................................... 87
17


ình 3.33 Dạng sóng điện p và d ng điện pha đo b ng oscillo với mẫu 2 .................. 87
ình 3.34 Dạng sóng điện p và d ng điện pha thơng qua mơ hình ............................. 88
liên kết mạch điện – từ trường ...................................................................... 88
ình 4.1 Thuật to n tối ưu động cơ LSPMSM 7,5kW .................................................. 97
ình 4.2 V dụ về một c thể trong khơng gian tìm kiếm .............................................. 98
ình 4.3 Phân bố c c gi trị tối ưu của động cơ LSPMSM 7,5kW ............................. 101
ình 4.4 So s nh mật độ từ thông khe hở không kh trước và sau khi tối ưu .............. 102
ình 4.5 Phân t ch chuỗi Fourier mật độ từ thông khe hở không kh sau khi tối ưu ... 103
ình 4.6 So s nh sức điện động trước và sau khi tối ưu .............................................. 103
ình 4.7 So s nh tốc độ trong qu trình khởi động trước và sau khi tối ưu ................ 104
ình 4.8 So s nh momen động cơ trong qu trình khởi động trước và sau khi tối ưu 104
ình 4.9 So s nh d ng điện khởi động trước và sau khi tối ưu ................................... 105
ình 4.10 So s nh d ng điện x c lập trước và sau khi tối ưu ...................................... 105
ình 4.11 Hiệu suất và hệ số cơng suất cos sau khi tối ưu........................................ 106
Hình A.1 Sơ đồ bố tr dây quấn hai lớp, bước ngắn 8 9 .............................................. 120
ình .2 Đặc t nh B-H của nam châm N45 ................................................................ 128

ình .3 Cung cực từ động cơ LSPMSM 7,5kW ....................................................... 131
ình .4 Đặc t nh momen khơng đồng bộ t nh động cơ LSPMSM 7,5kW ................ 133
ình .5 Đặc t nh mômen cản động cơ LSPMSM 7,5kW .......................................... 134
ình .6 Đặc t nh mơmen khởi động động cơ LSPMSM 7,5kW ............................... 135
ình .7 Đặc t nh góc mơmen động cơ LSPMSM 7,5kW.......................................... 135
ình B.1 Sơ đồ ngun l đo đặc t nh B-H th p B50-A800 ........................................ 136
ình B.2 Hình ảnh đo thực nghiệm đặc t nh B-H........................................................ 137
ình .1 Stator a , Rotor b , Bản v rotor c , Rotor sau khi lắp r p d ................. 138

18


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Tiết kiệm điện là một trong những ưu tiên hàng đầu trong ph t triển kinh tế xã hội ở
nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Ch nh vì thế việc nâng cao hiệu suất của c c hệ
thống tiêu thụ điện hoặc c c thiết bị điện đơn l là hết sức cần thiết. Trong số c c hệ thống
tiêu thụ điện, truyền động điện chiếm phần lớn điện năng tiêu thụ. Theo c c nghiên cứu
[56, 57] thì phần điện năng tiêu thụ lớn nhất trong c c hệ thống truyền động điện kh c
nhau lại xuất ph t từ c c loại động cơ điện được sử dụng.
Điều này đặt ra vấn đề nâng cao hiệu suất cho động cơ điện, để giảm thiểu chi ph điện
năng, b ng c ch thiết kế tối ưu những động cơ cũ hoặc thiết kế những động cơ theo công
nghệ mới. Một trong những công nghệ mới không chỉ đối với c c nhà chế tạo trong nước
mà c n cả với c c nhà chế tạo nước ngoài, được p dụng cho nghiên cứu chế tạo động cơ,
ch nh là động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu. Do đó luận án „ hi n u thiết ế
t i uđ n
đ n
a pha na
h
v nh u là hết sức cần thiết trong bối cảnh

này.
Mụ đí h
Nghiên cứu thuật tốn thiết kế chế tạo hoàn chỉnh động cơ đồng bộ ba pha nam châm
v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện. Từ đó thực hiện tối ưu để nâng cao hiệu suất, hệ
số công suất cos và giảm thể t ch của nam châm v nh cửu của động cơ chế tạo theo công
nghệ mới này.
Đ i t ợng và phạm vi nghiên c u
Đối tượng
Đối tượng nghiên cứu là động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực
tiếp với lưới điện công nghiệp công suất đến 7,5kW. Do động cơ không đồng bộ cơng suất
nhỏ thường có hiệu suất và hệ số cơng suất tương đối nhỏ, khiến cho chúng khơng thích
hợp với thị trường khi có c c quy định hạn chế có liên quan đến hiệu suất và tiết kiệm năng
lượng [84]
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu mô phỏng c c đặc t nh điện từ, ở chế độ x c lập và qu độ, b ng công cụ
mô phỏng phù hợp.
Nghiên cứu thuật to n t nh to n mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm theo
phương ph p giải t ch.
Nghiên cứu thuật to n thiết kế điện từ động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu nam
châm bố tr hình vng khởi động trực tiếp với lưới điện.
19


Ở

U

Nghiên cứu thiết kế tối ưu b ng thuật toán di truyền về k ch thước nam châm và độ rộng
phần cầu nối để nâng cao hiệu suất động cơ vượt mức IE4, nâng cao hệ số công suất cos
và giảm thể t ch nam châm cho loại động cơ này.

Ý n h a hoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu cơ sở lí thuyết về phương ph p mơ hình liên kết giữa mạch điện – từ
trường, từ đó thực hiện mơ phỏng để thấy được t nh ưu việt của phương ph p này.
Nghiên cứu thuật tốn tính tốn mật độ từ thơng nam châm tại điểm làm việc, từ đó cho
thấy mối quan hệ giải tích giữa mật độ từ thơng của răng và rãnh rotor và stator đến từ
thông điểm làm việc của nam châm.
Nghiên cứu điều kiện để có thể kiểm tra thiết kế động cơ đồng bộ ba pha nam châm
v nh cửu khởi động trực tiếp từ lưới điện với hệ số công suất cosθ xấp xỉ một.
Nghiên cứu thuật toán thiết kế chi tiết phần điện từ cho động cơ đồng bộ ba pha nam
châm v nh cửu khởi động từ lưới, với thiết kế nam châm gắn chìm cấu trúc vng.
Ý nghĩa th

ti n

Ở Việt Nam, trong l nh vực sản xuất động cơ điện, ch ng ta đã biết đến nhiều loại động
cơ được nghiên cứu và triển khai sản xuất trong nước. Tuy nhiên động cơ đồng bộ ba pha
nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp với lưới điện chưa được nghiên cứu, sản xuất hồn
chỉnh. Vì vậy việc nghiên cứu và triển khai thiết kế với luận n Nghiên c u thiết ế t i
uđ n
đ ng b ba pha na
h
v nh u” là hết sức cấp thiết, mở ra cho ngành
sản xuất động cơ điện trong nước có được cơ sở khoa học và thực tiễn về sản xuất động cơ
điện đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu.
ng g p
i a
n n
1. Đưa ra được thuật to n t nh to n mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm v nh
cửu.

2. Đưa ra công thức giải t ch x c định được mối quan hệ giữa mật độ từ thông răng và
gông của stator và rotor với mật độ từ thông điểm làm việc của nam châm v nh cửu.
3. Đưa ra được tổ hợp điều kiện để kiểm tra thiết kế cho động cơ LSPMSM đạt hệ số
công suất cos  1.
4. Đưa ra thuật to n thiết kế điện từ chi tiết cho từng phần của động cơ LSPMSM có
rotor với nam châm bố tr hình vng, như thiết kế stator, thiết kế rotor, thiết kế nam
châm, thiết kế kiểm tra.
5. Nâng cao được hiệu suất, hệ số công suất của động cơ LSPMSM 7,5kW vượt mức
hiệu suất IE4 theo tiêu chuẩn IEC 60034-30, trong khi giảm được thể t ch nam châm,
thông qua chương trình t nh tối ưu Ansoft Maxwell 2D.

20


Ở

ết

U

u ủa uận n

Ngoài phần mở đầu và c c mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận n được
trình bầy trong 5 chương và 3 phụ lục A, B và C , cụ thể:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mơ hình liên kết giữa mạch điện – từ trường
Chương 3: Thiết kế điện từ động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu
Chương 4: Tối ưu động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu 7,5kW
Chương 5: Kết quả và bàn luận


21


1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
Tiêu thụ năng lượng thường niên trên thế giới tăng rất cao. Phần lớn năng lượng này
đến từ c c nguồn nhiên liệu thô 81 được cung cấp từ dầu mỏ, kh tự nhiên và than đ .
C c nguồn nhiên liệu ch nh này đang bị tiêu thụ mạnh gây ra thiếu hụt nhiên liệu nghiêm
trọng bên cạnh việc ơ nhiễm khơng kh và nóng dần lên của tr i đất. Do đó việc tiết kiệm
nhiên liệu là vấn đề sống c n của con người hiện nay. Phần lớn c c nguồn năng lượng
ch nh được chuyển đổi sang năng lượng điện với mức tiêu thụ 50 dành cho c c động cơ
điện. Vì thế động cơ điện đóng vai tr lớn trong việc ph t sinh kh CO2, v dụ Anh Quốc là
90 triệu tấn đối với riêng động cơ không đồng bộ, chiếm tới 17 tổng lượng ph t thải CO2
ra môi trường của nước này [19]. Do đó việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ là một vấn đề
thiết yếu để giảm tiêu thụ năng lượng và giảm ph t thải kh CO2 ra môi trường.
Hiện nay động cơ không đồng bộ IM đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường, tuy
nhiên việc nâng cao hiệu suất động cơ IM lên trên mức IE4 đang thực sự khó khăn [10],
mặc dù ở Việt Nam cũng đã có c c Tiêu chuẩn quy định về hiệu suất năng lượng tối thiểu
cho động cơ KĐB TCVN7540-1:2013, TCVN7540-2:2013). Một giải ph p thay thế cho
động cơ này là động cơ nam châm v nh cửu (PMSM) hiệu suất cao do gi thành nam châm
v nh cửu giảm đ ng kể trong những năm gần đây. Tuy nhiên động cơ PMSM lại cần có
biến tần để điều khiển và khởi động, điều này trở nên không kinh tế đối với những ứng
dụng không có nhu cầu điều khiển tốc độ chẳng hạn như c c tải quạt, m y bơm và m y n n
kh chiếm tới hơn 70 c c ứng dụng dùng động cơ điện. Để khắc phục vấn đề này, động
cơ PMSM có gắn lồng sóc bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1955, c n được gọi là
động cơ đồng bộ ba pha nam châm v nh cửu khởi động trực tiếp với lưới điện (LSPMSM).
Năm 1955, F. W. Merrill là người đầu tiên thiết kế động cơ LSPMSM [68]. Thời điểm
đó nam châm được chế tạo từ hợp kim Alnico và Ferrit, nên chất lượng rất thấp và làm
việc không ổn định, điều này khiến cho động cơ LSPMSM khơng được hiện thực hóa. Mãi
đến năm 1980, nam châm đất hiếm hiệu năng cao mới được ph t triển. Loại vật liệu này đã
gi p cho việc hình thành nên rất nhiều c c nghiên cứu về động cơ PMSM và LSPMSM

hiệu năng cao từ thời điểm đó. Vào khoảng giữa những năm 1980, thì qu trình qu độ của
động cơ LSPMSM bắt đầu được mơ hình thông qua phương ph p giải t ch trên hệ trục qd0.
Cuối những năm 1990 thì bài to n mơ hình mạch điện đã có sự kết hợp với phương ph p
FEM c n gọi là mơ hình liên kết mạch điện – từ trường để giải bài to n qu độ và đ nh
gi hiệu năng x c lập trong động cơ LSPMSM. Từ đó phương ph p phân t ch phần tử hữu
hạn (FEA) liên tục được nghiên cứu và ph t triển. Trong khoảng 10 đến 12 năm gần đây,
vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm năng lượng cao đã ph t triển rất tốt gi thành giảm gi
trung bình của nam châm đất hiếm NdFeB giảm hơn 40 từ năm 1998 đến năm 2003
[19] , tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM ph t triển và trở thành sản phẩm
thương mại. Việc này có được do nhận thức của kh ch hàng về hiệu suất cao và những vấn
đề nhậy cảm đối với môi trường.
Hiện nay với cấp hiệu suất theo tiêu chuẩn IEC 60034-30 được phân chia từ IE1 đến
IE5, trong đó cấp hiệu suất IE4 Super premium efficiency đã được định ngh a đầy đủ
trong tiêu chuẩn, cấp IE5 Ultra premium efficiency vẫn chưa được định ngh a hoàn chỉnh
và chờ lần xuất bản kế tiếp của tiêu chuẩn này. Hình 1.1 cho thấy động cơ thương mại
LSPMSM với cấp công suất từ 0,55kW đến 7,5kW đều đạt được hiệu suất IE4, thậm ch ở
22


dải công suất trên 4kW hiệu suất c n cao hơn mức IE4. Từ th ng 9 năm 2012, c c nhà chế
tạo động cơ lớn trên thế giới nhận thấy động cơ IM khó đạt được cấp hiệu suất IE4. Do đó
để đạt được cấp hiệu suất này cũng như vươn đến cấp IE5 [54][59], c c nhà sản xuất
chuyển sang nghiên cứu chế tạo động cơ LSPMSM và động cơ phản kh ng đồng bộ làm
việc với bộ biến đổi (SynRM . Tại thời điểm này c c động cơ LSPMSM được c c nhà sản
xuất lớn trên thế giới chế tạo trong dải công suất từ 0,55 đến 7,5kW, 4 cực. Đặc biệt đối
với những ứng dụng có tốc độ khơng đổi và cơng suất nhỏ thì động cơ LSPMSM thực sự là
một lựa chọn tốt nhất [10]. Do động cơ IM cơng suất nhỏ thường có hiệu suất và hệ số
công suất tương đối nhỏ, khiến cho ch ng không th ch hợp với thị trường khi có c c quy
định hạn chế có liên quan đến hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.


nh
(

: [14])

1.1 So sánh giữa động cơ IM và động cơ LSPMSM


iệu su t: C c tiêu chuẩn về hiệu suất cho thấy càng về sau hiệu suất của động cơ
càng được nâng cao hơn rất nhiều, theo [15] hiệu suất của động cơ trong thời gian tới
đây có thể đạt mức IE5 việc này s rất khó khăn cho vật liệu cũng như cơng nghệ chế
tạo động cơ IM. Do đó để thực hiện được ở mức hiệu suất như trên đ i hỏi phải
chuyển đổi sang một dạng công nghệ mới, v dụ như động cơ LSPMSM.
Động cơ điện hiệu suất cao có thể dẫn đến giảm đ ng kể năng lượng tiêu thụ và
đồng thời giảm t c động đến môi trường th c đẩy c c tiêu chuẩn quốc tế mới
[16][17]. C c tiêu chuẩn phân loại hiệu suất động cơ mới lên tới IE5 kể cả đối với
23


động cơ khởi động trực tiếp với lưới điện và động cơ kết hợp với bộ biến đổi công
suất. Động cơ PMSM đã chứng tỏ hiệu suất cao hơn đ ng kể so với động cơ IM, đặc
biệt ở dải cơng suất thấp. Ngồi ra, hệ số cơng suất cũng cao hơn và nhiệt độ làm
việc m t hơn.
Động cơ LSPMSM là động cơ lai với dây quấn ba pha phân bố trong c c rãnh
stator tương tự với dây quấn động cơ IM , có rotor với lồng sóc nhôm và nam châm
v nh cửu gắn bên trong. Tuy nhiên có thể khởi động và tăng tốc trực tiếp khi nối với
lưới điện mà không cần đến bộ điều khiển. Động cơ LSPMSM có mơmen cao, làm
việc với tốc độ đồng bộ cố định và phù hợp với c c phụ tải có mơmen qu n t nh thấp.
Do khơng có tổn thất nhiệt trên lồng sóc nhơm [32][10] trong khi đó thành phần này
chiếm khoảng 20 tổng tổn thất của động cơ IM , ngoài ra tổn thất đồng trên dây

quấn stator chiếm phân lượng lớn nhất trong tổng tổn thất của động cơ. Thành phần
tổn thất này trong động cơ LSPMSM cũng được giảm đ ng kể so với động cơ IM do
giảm được d ng điện từ hóa của động cơ, giảm được d ng điện đầu vào của động cơ
trên cơ sở nâng cao hệ số công suất cos, nâng cao được hiệu suất so với động cơ IM
có hiệu suất IE3 (Premium efficiency) và có khả năng đạt đến hiệu suất IE5 (Ultra
premium efficiency) hình 1.1 .
 ệ s os: Hệ số cos của động cơ IM thấp dẫn đến giảm khả năng phân phối công
suất của hệ thống điện. Điều này dẫn đến tăng c c tổn thất trên đường dây truyền tải
điện. Hệ số cos thấp cũng gây ra tổn thất phụ trong động cơ IM. Bên cạnh đó kh ch
hàng phải trả thêm phụ ph để nâng cao hệ số cos nếu hệ số cos của họ thấp hơn
tiêu chuẩn cho ph p. Ngược lại động cơ LSPMSM có thể duy trì hệ số cos cao
thậm ch xấp xỉ 1 với dải công suất làm việc rộng [79] (tham khảo thêm hình 1.2)

nh 1.2

(

: [17])



n v tỉ lệ n su t tr n đ n vị thể tích: Do động cơ LSPMSM có sử dụng
nam châm, nên nói chung tỉ lệ cơng suất trên đơn vị thể tích và khả năng sinh
mômen lớn hơn so với động cơ IM.
 hiệt đ đ n
: Nhiệt độ trong động cơ bị ảnh hưởng do tổn thất và tốc độ quay.
Đối với động cơ LSPMSM do thành phần tổn thất trong rotor khơng có, nên nhiệt
24



độ của động cơ LSPMSM thường thấp hơn khoảng 30 so với động cơ IM cùng
công suất. Đây là lợi thế rất tốt để bảo vệ nam châm không bị khử từ do
nhiệt độ [19].
Để chứng minh t nh ưu việt của động cơ LSPMSM đối với động cơ IM đã có nhiều
nghiên cứu dưới nhiều hình thức kh c nhau, kết quả cho thấy hiệu suất và hệ số cos đều
cao hơn. W. Fei trong nghiên cứu của mình [93] đã sửa đổi động cơ IM Y90S-4 thành
động cơ LSPMSM với cấu tr c nam châm vng gắn chìm. Phần kết cấu stator giữ nguyên
tuy nhiên có thay đổi k ch thước và số v ng dây để đảm bảo động cơ có thể đạt được hệ số
cơng suất cos gần b ng một l c đầy tải. Rotor và nam châm được thiết kế sao cho biên
dạng của sức điện động khơng tải gần hình sin. So với động cơ IM d ng điện thấp hơn
10%-20 , hiệu suất và hệ số công suất cao hơn.
Rong-Jie Wang [72] trong nghiên cứu thiết kế của mình, cũng đã so s nh động cơ
LSPMSM với động cơ không đồng bộ cấp hiệu suất Premium (PEIM) của hãng WEG,
cùng c c điều kiện đầu vào như công suất, điện p, tần số... c c chỉ tiêu về hiệu suất và
cos đều tốt hơn so với động cơ PEIM.
Yaxin Bao, X. Feng [97][95][96] và c c t c giả kh c nghiên cứu động cơ 7,5 kW –
60Hz có cấu hình nam châm vuông, cho thấy khả năng đạt được cấp hiệu suất IE4 của
động cơ LSPMSM, với hiệu suất cao hơn 2 đến 3 so với động cơ PEIM, cos đạt được
mức xấp xỉ 1.
Marcic [80] cùng c c t c giả kh c khảo s t chi tiết so s nh giữa động cơ IM và
LSPMSM dùng với m y n n kh nửa hở, với c c cấp công suất từ 1Hp đến 20Hp. C c
động cơ LSPMSM đều cho hiệu suất cao hơn, hệ số cos cũng cao hơn.

1.2 Mơ hình hóa động cơ LSPMSM
Phương ph p phân t ch truyền thống với mơ hình giải t ch thông số tập trung dùng để
nghiên cứu động cơ LSPMSM bắt đầu từ giữa những năm 1980. P. W. Huang đã mơ hình
hóa giải t ch cho hai loại động cơ LSPMSM với rotor gắn chìm và rotor gắn bề mặt [64].
Loại gắn chìm có cấu tr c hình tr n. Đối với loại gắn chìm, mơmen đập mạch nhỏ hơn,
qu trình khởi động tốt hơn, mơmen khơng đồng bộ lớn hơn, hiệu suất lớn hơn. Đối với
loại gắn bề mặt, gi trị Bg lớn hơn, khả năng chịu tải lớn đột ngột tốt hơn.

Yun Hyun Cho [45] mơ hình hóa động cơ LSPMSM b ng phương ph p giải t ch với
phụ tải bơm nước. Kết quả so s nh cho thấy hiệu suất cao hơn động IM hiệu suất cao.
Rabbi đã nghiên cứu qu trình động của động cơ LSPMSM với mơ hình giải t ch [66]
kết hợp với hệ thống bơm nước, gồm bơm li tâm và bơm pittong. Kết quả khảo s t b ng
Matlab cho thấy động cơ có khả năng khởi động và đồng bộ tốt và có khả năng duy trì tốc
độ đồng bộ khi tải thay đổi, có khả năng thay thế tốt động cơ IM trong c c hệ thống bơm.
J. M. Lee thực hiện mơ hình hóa động cơ LSPMSM dưới dạng giải t ch [46], so s nh
đặc t nh khởi động của động cơ cực ẩn và cực lồi. Mômen động cơ LSPMSM thường là sự
kết hợp của ba thành phần mơmen: mơmen lồng sóc, mơmen cản và mômen phản kh ng.
Đối với cực lồi, do sự kh c biệt giữa điện kh ng dọc trục và điện kh ng ngang trục nên tạo
25