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

Nguyễn Đức Bắc

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO
KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SĨC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2021


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

Nguyễn Đức Bắc

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO
KHƠNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SĨC
Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 9520201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG
2. TS TRẦN TUẤN VŨ

Hà Nội – 2021

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm
được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã
được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày
trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ cơng
trình nào khác.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2021

Người cam đoan

Nguyễn Đức Bắc

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Nguyễn Thế Công

TS. Trần Tuấn Vũ

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo
hướng dẫn, của các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện- điện tử - Trường Đại học

Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến nay đã
hồn thành.
Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến
hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Nguyễn Thế Công và TS. Trần
Tuấn Vũ luôn dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian và tận tình hướng dẫn nghiên
cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Viện Điện và Phòng
Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi
điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất
trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới tồn thể thầy, cơ giáo Bộ môn Điện kỹ thuật –
Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ để
tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch – Trưởng Khoa Cơ khí
Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian trong quá trình học tập và nghiên
cứu luận án.
Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, các con và gia đình đã ln động
viên về tinh thần trong những lúc khó khăn nhất để tác giả yên tâm nghiên cứu và
hoàn thành luận án.

Tác giả luận án

Nguyễn Đức Bắc

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................ ii

MỤC LỤC ............................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................... v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................. ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4
1.1
Tổng quan về động cơ servo....................................................................... 4
Phân loại động cơ servo .................................................................. 4
Ứng dụng của động cơ servo ........................................................... 4
Các chế độ làm việc của động cơ .................................................... 5
Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường ...................... 9
1.2

Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo ..................................... 10

1.3

Kết luận chương 1 .................................................................................... 13

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3
PHA .......................................................................................................................... 15
2.1

Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo ............................................... 15
Lý thuyết tối ưu ............................................................................. 15
Tối ưu đa mục tiêu......................................................................... 16
Ứng dụng tối ưu đa mục tiêu động cơ servo ................................. 25
2.1.3.1. Thông số kỹ thuật yêu cầu thiết kế ............................................. 27

2.1.3.2. Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo khơng đồng bộ 3
pha ................................................................................................................ 27
2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu ............................................................... 31

2.2

Mô phỏng phần tử hữu hạn....................................................................... 34
Lý thuyết nghiêng rãnh rotor ......................................................... 34
Mô phỏng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh thẳng .................... 35

2.3

Kết luận chương 2 .................................................................................... 39

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO ................................... 41
3.1

Phân tích nhiệt trong động cơ ................................................................... 41
iii


Đặt vấn đề ...................................................................................... 41
Nguyên lí cơ bản về truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ ...... 42
3.1.2.1. Phát nóng và làm nguội trong vật thể đồng nhất ........................ 43
3.1.2.2. Độ chênh nhiệt độ theo chiều dày lớp cách điện ........................ 43
3.1.2.3. Tản nhiệt trên bề mặt .................................................................. 44
3.2

Mô hình phát nhiệt của động cơ ............................................................... 46
Đặt vấn đề ...................................................................................... 46

Mơ hình nhiệt của động cơ ............................................................ 46

3.3

Tính tốn độ tăng nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định ........................................ 48

3.4

Mô phỏng nhiệt động cơ ........................................................................... 49
Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc liên tục ....................... 50
Kết quả mô phỏng nhiệt tại điểm làm việc ngắn hạn .................... 53

3.5

Kết luận chương 3 .................................................................................... 55

CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................. 57
4.1

Đặt vấn đề ................................................................................................. 57

4.2

Xây dựng mơ hình 3D động cơ mẫu thử .................................................. 57

4.3

Chế tạo động cơ mẫu thử .......................................................................... 60

4.4


Thử nghiệm động cơ................................................................................. 62

4.5

Kết quả thử nghiệm và so sánh với mô phỏng ......................................... 63
Kết quả đo mơmen, dịng điện tại một số điểm hoạt động ............ 63
Kết quả đo nhiệt động cơ............................................................... 72

4.6

Kết luận chương 4 .................................................................................... 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 78
ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .................................................... 79
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................... 81
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ........................... 89
PHỤ LỤC A ......................................................................................... 90
PHỤ LỤC B ....................................................................................... 100
PHỤ LỤC C ....................................................................................... 109
PHỤ LỤC D ......................................................................................... 99
PHỤ LỤC E ....................................................................................... 111

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu


Mô tả

W

Khối lượng điện từ của động cơ

D

Đường kính trong stator

L

Chiều dài mạch từ

s

Tần số trượt

V

Điện áp dây

n

Tốc độ động cơ

f

Tần số dịng stator


Tm

Mơmen động cơ

Is

Dịng điện stator
Sóng hài sức điện động

Bm

Mật độ từ thơng

v

Vận tốc tiếp tuyến rotor

τ

Bước cực

ξ

Khoảng cách giữa điểm đầu và điểm cuối của thanh rotor

pCu

Tổn hao đồng trên dây quấn stator

pAl


Tổn hao đồng trên thanh dẫn rotor

p

Tổn hao sắt trong stator và rotor do từ trễ và dịng điện xốy của từ
trường chính sinh ra trong lõi sắt

p

.

pstray

Tổn hao cơ do ma sát, quạt gió
Tổn hao phụ

v


C

Nhiệt dung riêng của vật thể

α

Hệ số tản nhiệt của bề mặt vật thể nóng

θ


Độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật thể nóng với mơi trường xung quanh

θ0

Độ tăng nhiệt ban đầu

θ∞

Nhiệt bão hịa

T

Hằng số phát nóng

Q

Nhiệt lượng

Sc

Tiết diện của đường truyền dòng nhiệt

λc

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện

δc

Chiều dày lớp cách điện


R

Nhiệt trở

o

Hệ số tản nhiệt bề mặt trong mơi trường tĩnh

v

Tốc độ dịng khơng khí

k

Hệ số tính đến sự chuyển dịch dịng khơng khí

R

Nhiệt trở của bề mặt tản nhiệt

Rcd

Nhiệt trở cách điện

RFe

Nhiệt trở bề mặt lõi sắt

RCu


Nhiệt trở bề mặt phần đầu nối

θ

Độ tăng nhiệt độ của dây quấn

θ

Độ tăng nhiệt độ của lõi sắt stator

vi


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT

Chữ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

1

SQP

Sequential Quadratic
Programming


Quy hoạch đa thức bậc 2

2

GA

Genetic Algorithms

Thuật toán di truyền

3

PSO

Particle Swarm Optimization

Phương pháp tối ưu bầy đàn

4

FEA

Finite Element Analysis

Phân tích phần tử hữu hạn

5

AC


Alternating Curent

Dịng điện xoay chiều

6

DC

Direct Curent

Dòng điện một chiều

7

EMF

Electromotive force

Sức điện động

8

IEC

International Electrotechnical
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
Commission

vii



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các đặc tính làm việc của động cơ ............................................................ 6
Bảng 2.1. Kết quả áp dụng thuật toán SQP .............................................................. 22
Bảng 2.2. Kết quả hàm mục tiêu f1(x) và f2(x) ......................................................... 24
Bảng 2.3. Kết quả một số thơng số chính của thiết kế tối ưu động cơ servo không
đồng bộ ..................................................................................................................... 31
Bảng 2.4. Lựa chọn phương thức làm mát và mật độ dòng điện [62] ...................... 32
Bảng 2.5. Giá trị mômen và độ nhấp nhô theo góc nghiêng rotor ........................... 36
Bảng 3.1. Nhiệt độ giới hạn tương ứng các cấp cách điện ....................................... 42
Bảng 3.2. Hệ số tản nhiệt bề mặt ở môi trường tĩnh ................................................ 45
Bảng 3.3. Nhiệt độ bão hòa một số bộ phận động cơ với trường hợp nắp hở .......... 52
Bảng 4.1. Thơng số kích thước của động cơ ............................................................ 58
Bảng 4.2. Kết quả một số thơng số chính của động cơ servo mẫu thử .................... 61
Bảng 4.3. Kết quả đo mơmen và dịng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại
n = 500 rpm, U = 340V ............................................................................................ 64
Bảng 4.4. Kết quả đo mơmen và dịng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại
n = 500 rpm, U = 360V ............................................................................................ 65
Bảng 4.5. Kết quả đo mơmen và dịng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại
n = 700 rpm, U = 350V ............................................................................................ 66
Bảng 4.6. Kết quả đo mơmen và dịng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số tại
n = 700 rpm, U = 380V ............................................................................................ 68
Bảng 4.7. Bảng so sánh kết quả đầu vào giữa thiết kế tối ưu và thử nghiệm........... 70
Bảng 4.8. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 500
rpm, chế độ làm việc ngắn hạn ................................................................................. 73
Bảng 4.9. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 700
rpm, chế độ làm việc liên tục.................................................................................... 75
Bảng 4.10. Kết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tốc độ n = 1000
rpm ............................................................................................................................ 76


viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân loại động cơ servo.............................................................................. 4
Hình 1.2. Một số ứng dụng động cơ servo ................................................................. 5
Hình 1.3. Đặc tính mơmen – tốc độ của động cơ servo ............................................. 9
Hình 2.1. Biểu đồ phân bổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto .......................... 16
Hình 2.2. Đồ thị tượng trưng sử dụng thuật toán ɛ -constraint [48] ......................... 19
Hình 2.3. Kết quả hội tụ sử dụng thuật tốn SQP các biến x1, x2 ............................ 22
Hình 2.4. Kết quả hội tụ sử dụng thuật toán SQP của hàm f1(x) và ràng buộc g1(x)23
Hình 2.5. Kết quả tính tốn tối ưu mơ phỏng Matlab .............................................. 24
Hình 2.6. Kết quả phân bổ Pareto hai hàm mục tiêu f1(x) và f2(x) .......................... 25
Hình 2.7. Lưu đồ thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha . 26
Hình 2.8. Lưu đồ thuật tốn tối ưu hai mục tiêu SQP kết hợp ɛ-constraint ............. 28
Hình 2.9. Trình tự các bước thiết kế ......................................................................... 29
Hình 2.10. Đặc tính phân bố tối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu .......................... 30
Hình 2.11. Đặc tính mơmen theo tốc độ của động cơ tối ưu .................................... 32
Hình 2.12. Đặc tính cơng suất theo tốc độ ............................................................... 33
Hình 2.13. Đặc tính điện áp dây theo tốc độ ............................................................ 33
Hình 2.14. Đặc tính dịng điện stator theo tốc độ ..................................................... 34
Hình 2.15. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn rotor [67]................................ 35
Hình 2.16. Kết quả mơ phỏng FEA mơmen và độ nhấp nhơ theo góc nghiêng....... 36
Hình 2.17. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh nghiêng ...... 37
Hình 2.18. Kết quả mơ phỏng mơmen cực đại tại 500 rpm rotor rãnh thẳng .......... 37
Hình 2.19. Kết quả mô phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng ... 38
Hình 2.20. Kết quả mơ phỏng mômen cực đại tại 3500 rpm, rotor rãnh thẳng ....... 38
Hình 2.21. So sánh mơ phỏng FEA và thiết kế tối ưu ............................................. 39
Hình 3.1. Hướng truyền nhiệt trong động cơ [88] .................................................... 47
Hình 3.2. Mơ hình nhiệt động cơ.............................................................................. 48

Hình 3.3. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên
.................................................................................................................................. 50
Hình 3.4. Mặt cắt nhiệt dọc trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục .... 51
Hình 3.5. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục 51
Hình 3.6. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc liên tục, làm mát tự nhiên
với thiết kế hở nắp .................................................................................................... 52
Hình 3.7. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ liên tục với
thiết kế hở nắp. ......................................................................................................... 52

ix


Hình 3.8. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự
nhiên ......................................................................................................................... 53
Hình 3.9. Mặt cắt nhiệt dọc trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn . 54
Hình 3.10. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn
.................................................................................................................................. 54
Hình 3.11. Nhiệt độ động cơ theo thời gian, chế độ làm việc ngắn hạn, làm mát tự
nhiên khi thiết kế hở nắp .......................................................................................... 55
Hình 3.12. Mặt cắt nhiệt ngang trục của động cơ, làm mát tự nhiên, chế độ ngắn hạn
khi thiết kế nắp hở .................................................................................................... 55
Hình 4.1. Mơ phỏng 2D động cơ mẫu thử................................................................ 58
Hình 4.2. Mơ phỏng 3D stator động cơ mẫu thử...................................................... 59
Hình 4.3. Mơ phỏng 3D rotor động cơ mẫu thử ...................................................... 59
Hình 4.4. Mơ phỏng 3D động cơ thiết kế ................................................................. 59
Hình 4.5. Rotor rãnh nghiêng mẫu thử ..................................................................... 60
Hình 4.6. Hình ảnh động cơ khi chế tạo ................................................................... 60
Hình 4.7. Động cơ mẫu thử chế tạo .......................................................................... 61
Hình 4.8. Thử nghiệm mẫu thử động cơ trên hệ thống đo test-bench. ..................... 62
Hình 4.9. Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm động cơ ................................................. 63

Hình 4.10. Đặc tính mômen theo tần số tại n = 500 rpm, U = 340 V ...................... 64
Hình 4.11. Đặc tính mơmen theo tần số tại n = 500 rpm, U = 360V ....................... 65
Hình 4.12. Kết quả thử nghiệm các thơng số tại 500 rpm, U = 360 V, f = 32 Hz, chế
độ làm việc ngắn hạn ................................................................................................ 66
Hình 4.13. Đặc tính mơmen theo tần số tại n = 700 rpm, U = 350 V ...................... 67
Hình 4.14. Đặc tính mơmen theo tần số tại n = 700 rpm, U = 380 V ...................... 68
Hình 4.15. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 700 rpm, U = 380 V, f = 46 Hz, chế
độ làm việc ngắn hạn ................................................................................................ 69
Hình 4.16. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 700 rpm, U = 300 V, f = 38,6 Hz, chế
độ làm việc liên tục ................................................................................................... 69
Hình 4.17. Kết quả thử nghiệm các thông số tại 1000 rpm, U = 380 V, f = 54,4 Hz,
chế độ làm việc liên tục ............................................................................................ 70
Hình 4.18. Đặc tính mơmen – tốc độ tính toán và kết quả đo tại các điểm hoạt động
khác nhau .................................................................................................................. 71
Hình 4.19. Kết quả đo nhiệt độ động cơ tại 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn .... 72
Hình 4.20. Kết quả mơ phỏng nhiệt độ mẫu thử tại 500 rpm, chế độ làm việc ngắn
hạn ............................................................................................................................ 73
Hình 4.21. Nhiệt độ dây quấn tại 500 rpm, chế độ làm việc ngắn hạn .................... 73

x


Hình 4.22. Kết quả đo nhiệt độ bão hịa của động cơ tại 700 rpm, chế độ làm việc
liên tục ...................................................................................................................... 74
Hình 4.23. Kết quả mơ phỏng nhiệt độ mẫu thử tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên
tục ............................................................................................................................. 74
Hình 4.24. Nhiệt độ bão hịa dây quấn tại 700 rpm, chế độ làm việc liên tục ......... 75
Hình 4.25. Kết quả đo nhiệt độ bão hòa của động cơ tại 1000 rpm, chế độ làm việc
liên tục ...................................................................................................................... 75
Hình 4.26. Kết quả mô phỏng nhiệt độ mẫu thử tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên

tục ............................................................................................................................. 76
Hình 4.27. Nhiệt độ bão hòa dây quấn và vỏ tại 1000 rpm, chế độ làm việc liên tục
.................................................................................................................................. 76

xi


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp gắn liền với sự phát triển của các hệ
thống điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu mới khắt khe, các nhà máy sản xuất
thông minh, tự động với các thiết bị máy móc hiện đại như CNC, robot… đang dần
thay thế các loại máy móc lạc hậu và phương thức điều khiển, vận hành cũ. Xu hướng
này kéo theo nhu cầu sử dụng động cơ servo trong điều khiển truyền động [1]–[3]
đang ngày càng phát triển.
Cách mạng công nghiệp 4.0 được đánh dấu bởi sự xuất hiện và mở rộng khơng
ngừng của máy móc hiện đại, thiết bị sản xuất thông minh cùng với bước phát triển
đột phá của nền cơng nghiệp cơ khí và điện tử chính xác, các hoạt động sản xuất được
giao phần lớn cho robot thực hiện. Việc xuất hiện của động cơ servo đã góp phần thúc
đẩy sự phát triển, nghiên cứu ngành tự động hoá ở nước ta, nhằm tăng chất lượng sản
phẩm, mức độ an toàn, tiết kiệm chi phí nhân cơng và tăng năng suất sản phẩm. Tự
động hóa nói riêng cũng như cách mạng cơng nghiệp 4.0 nói chung là một xu thế
khơng thể đảo ngược.
Hệ thống servo được tích hợp động cơ với bộ điều khiển đặc biệt cần thiết trong
sản xuất hiện đại bởi chúng có khả năng điều khiển chính xác các thiết bị (như cánh
tay robot) ở tốc độ cao với cơ chế cho phép thực hiện 3 loại điều khiển [4],[5]: vị trí,
mơmen, tốc độ hoặc kết hợp các cơ chế điều khiển này.
Động cơ servo là bộ phận quan trọng trong hệ thống servo. Việc thiết kế động cơ
servo phải đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe trong các hệ thống này như mơmen
cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh [6]–[8]. Chính vì vậy, “Nghiên

cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết
và có tính thời sự.
Động cơ servo địi hỏi nhiều tiêu chí và hoạt động trong một dải mômen - tốc độ
rộng [9],[10]. Đề tài nghiên cứu thiết kế tối ưu bằng cách tối ưu các thông số kết cấu,
điều khiển trong quá trình hoạt động. Cách tiếp cận này bao gồm kết hợp tối ưu thuật
tốn và mơ hình đa vật lý để đạt được thiết kế tối ưu. Kết quả tối ưu nhận được bằng
mô phỏng và kiểm nghiệm trên mơ hình thực nghiệm.

2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha trên cơ sở tối ưu
các thông số kết cấu, điều khiển trong quá trình hoạt động của động cơ.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
1


Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng
sóc.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng
bộ 3 pha rotor lồng sóc.
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình mẫu thử ảo.

4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xây dựng mơ hình, mơ phỏng và thực nghiệm.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không

đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Kiểm nghiệm kết quả bằng phân tích phần tử hữu hạn
và mô phỏng. Chế tạo mẫu thử, thử nghiệm đánh giá kết quả thiết kế tối ưu.
Ý nghĩa thực tiễn
Ở Việt Nam, trong lĩnh vực sản xuất động cơ điện, chủ yếu sản xuất động cơ không
đồng bộ với tốc độ tối đa 3000 (v/ph). Động cơ servo chưa được nghiên cứu và sản
xuất hoàn chỉnh. Việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu động cơ servo, trên cơ
sở mô phỏng và thực nghiệm, làm cơ sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo loại động
cơ này.

6. Dự kiến các kết quả đạt được
- Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu ngay từ bước mơ hình áp dụng
cho động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha.
- Xây dựng thuật toán tối ưu hai hàm mục tiêu đối với động cơ servo không đồng
bộ 3 pha. Kết quả tối ưu được thể hiện trên phân bổ tối ưu đa mục tiêu Pareto.
- Xây dựng mơ hình mẫu thử ảo thơng qua mơ phỏng nhiệt - điện từ, thử nghiệm
mẫu thử động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha.

7. Kết cấu của luận án
Tồn bộ luận án được chia thành phần mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị và
04 phụ lục, cụ thể các nội dung cơ bản như sau:
Mở đầu
Trình bày lý do để lựa chọn đề tài, mục đích, phạm vi, phương pháp nghiên cứu, ý
nghĩa khoa học và các đóng góp dự kiến của luận án.
2


Chương 1: Tổng quan
Trình bày tổng quan về động cơ servo. Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về
động cơ servo. Qua đó chỉ ra các vấn đề cịn tồn tại, đưa ra các vấn đề mà luận án cần
tập trung giải quyết.

Chương 2: Thiết kế tối ưu động cơ servo khơng đồng bộ 3 pha
Trình bày phương pháp thiết kế tối ưu áp dụng cho động cơ servo. Nội dung
phần này đưa ra phương pháp thiết kế sử dụng các thuật tốn tối ưu hóa, nhằm giảm
các vịng lặp chế tạo mẫu thử tốn kém về chi phí và thời gian của phương pháp thiết
kế truyền thống. Bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo, sử dụng tối ưu hóa đa mục
tiêu với các ràng buộc được chọn để tìm ra kết quả thiết kế tối ưu. Phân bổ Pareto
được đưa ra nhằm giúp người thiết kế lựa chọn kết cấu động cơ phù hợp nhất cho
ứng dụng u cầu.
Chương 3: Mơ phỏng nhiệt động servo
Trình bày nghiên cứu phân tích nhiệt trong động cơ servo ở các chế độ làm
việc khác nhau và các điểm hoạt động khác nhau. Việc áp dụng mô phỏng nhiệt-điện
từ trong quá trình thiết kế, giúp giảm yêu cầu về việc sản xuất nguyên mẫu và thử
nghiệm, vì vậy giảm thời gian nghiên cứu chế tạo sản xuất và chi phí. Dựa trên các
kết quả phân tích nhiệt và giới hạn ngưỡng nhiệt độ của các thành phần trong động
cơ, nhằm lựa chọn phương thức làm mát để động cơ thiết kế vừa tối thiểu hóa khối
lượng vừa đảm bảo mơmen cực đại của động cơ servo.
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Chương 4 trình bày động cơ mẫu thử được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả thử
nghiệm đo các thơng số như mơmen, dịng điện,... tại một số điểm hoạt động khác
nhau sẽ được so sánh với mô hình thiết kế tối ưu. Kết quả đo nhiệt của động cơ cũng
sẽ được so sánh với kết quả phân tích nhiệt trong mơ phỏng.
Kết luận và kiến nghị
Phần cuối cùng của luận án là kết luận về những đóng góp của luận án, những
hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Phụ lục

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về động cơ servo
Phân loại động cơ servo
Động cơ servo được phân loại thành các động cơ servo một chiều, động cơ servo
xoay chiều và động cơ bước [11]. Trong đó động cơ servo xoay chiều có động cơ
servo đồng bộ và động cơ servo không đồng bộ. Sơ đồ phân loại động cơ servo được
biểu diễn ở Hình 1.1.

Hình 1.1. Phân loại động cơ servo

Ứng dụng của động cơ servo
Công nghệ servo ngày càng phát triển vì vậy ứng dụng của động cơ servo [12],[13]
ngày càng được mở rộng. Một số hãng trên thế giới như Siemens, Mitsubishi,
Panasonic đã chế tạo động cơ servo và được ứng dụng trong những ngành cơng
nghiệp địi hỏi độ chính xác cao như: gia cơng kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự
động. Sau đây là một số ứng dụng phổ biến của động cơ servo trong cơng nghiệp
(Hình 1.2):
+) Cơng nghệ robot: động cơ servo tại mỗi điểm hoạt động của robot được sử dụng
để kích thích và hiệu chỉnh chuyển động, giúp cánh tay robot di chuyển những góc
chính xác.
+) Hệ thống băng chuyền: động cơ servo di chuyển, dừng băng tải chở sản phẩm
theo các giai đoạn khác nhau như trong các dây chuyển đóng gói, đóng chai, dán nhãn
….
+) Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời: động cơ servo điều chỉnh góc của tấm
pin mặt trời để đảm bảo diện tích chiếu sáng lớn nhất.
+) Máy CNC: động cơ servo cung cấp điều khiển chuyển động chính xác cho máy
CNC, phay, máy tiện, máy cắt…để dập, ép, uốn các tấm kim loại.
4


(b)

(a)

(c)

(d)
Hình 1.2. Một số ứng dụng động cơ servo

Ngồi ra còn rất nhiều ứng dụng của động cơ servo như: cửa tự động, điều khiển
vị trí Ăn-ten trong các đài quan sát thiên văn, máy dệt công nghiệp, các máy in khắc
công nghiệp...
Các chế độ làm việc của động cơ
Các chế độ làm việc của động cơ được phân thành 9 loại biểu thị từ S1 đến S9 dựa
theo sự liên tục, thời gian làm việc ngắn hạn và theo chu kỳ [14], được thể hiện như
trong Bảng 1.1.

5


Bảng 1.1. Các đặc tính làm việc của động cơ

Stt

Chế độ làm việc

1

Làm việc liên tục: S1

2


Làm việc ngắn hạn: S2

3

Làm việc theo chu kỳ: S3

Đặc tính tải, nhiệt độ

6


4

Làm việc theo chu kỳ xét
đến thời gian khởi
động/tăng tốc: S4

5

Làm việc theo chu kỳ bao
gồm thời gian khởi
động/tăng tốc, tải không
đổi, hãm và thời gian
dừng: S5

6

Làm việc liên tục với mỗi
chu kỳ bao gồm thời gian
khởi động, tải không đổi

và hãm: S6

7


7

Làm việc liên tục với mỗi
chu kỳ bao gồm thời gian
hoạt động ở các tải khác
nhau: S7

8

S9 là chế độ hoạt động
khơng theo chu kỳ, trong
đó tải và tốc độ thay đổi
không theo chu kỳ trong
phạm vi hoạt động cho
phép, bao gồm cả thời
gian quá tải: S8

9

Làm việc đặc trưng cho
tải thay đổi không theo
một chu kỳ nhất định: S9

8



Sự khác biệt giữa động cơ servo và động cơ thường
Động cơ servo được kết hợp với bộ điều khiển tạo thành hệ thống phản hồi vịng
kín . Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay,
tốc độ và vị trí sẽ được phản hồi về mạch điều khiển [8], [14], 15]. Nếu có bất kỳ lý
do nào đó làm sai lệch giá trị đặt của động cơ, tín hiệu phản hồi sẽ so sánh với tín
hiệu đặt để hiệu chỉnh sự sai lệch này.
Về cơ bản thì một động cơ servo và động cơ thường giống nhau về mặt cấu tạo và
nguyên lý hoạt động. Tuy nhiên, động cơ servo có một số điểm khác biệt hơn so với
động cơ thường [13], [17] cụ thể như:
- Mômen xoắn cao.
- Dải hoạt động rộng.
- Khả năng thay đổi tốc độ lớn hơn.
- Tốc độ và vị trí của động cơ servo có thể được điều chỉnh và kiểm sốt với độ
chính xác cao.
- Trọng lượng thấp, thiết kế nhỏ gọn
So với động cơ công nghiệp thường được thiết kế theo các thông số định mức như
mơmen, điện áp, dịng điện… (điểm ), động cơ servo được thiết kế để hoạt động
trong dải tốc độ rộng nhằm đảm bảo mômen trong hai vùng làm việc cực đại và liên
tục. Đặc tính làm việc mơmen – tốc độ điển hình của động cơ servo được biểu diễn
như Hình 1.3.

Hình 1.3. Đặc tính mơmen – tốc độ của động cơ servo

---- Đường đặc tính cực đại của động cơ
Đường đặc tính làm việc liên tục của động cơ
9


Để xây dựng đường đặc tính liên tục của động cơ người ta phải cho động cơ hoạt

động ở mỗi tốc độ (điểm hoạt động) khác nhau trong một thời gian dài để đạt được
nhiệt độ làm việc ổn định của từng điểm hoạt động. Đây là đường đặc tính hoạt động
chính của động cơ vì nó đảm bảo được các ràng buộc về độ bền cơ và nhiệt. Muốn
nâng cao đặc tính làm việc của động cơ mà vẫn đảm bảo động cơ không bị quá tải
nhiệt, phải dùng các biện pháp làm mát phù hợp như: thêm cánh tản nhiệt, lắp thêm
quạt làm mát cưỡng bức…
Đường đặc tính làm việc cực đại của động cơ có ý nghĩa là động cơ có thể làm việc
ở điểm hoạt động với mômen cực đại. Động cơ không thể làm việc ở đường đặc tính
tối đa trong một thời gian dài vì ràng buộc về nhiệt và cơ.
Động cơ servo hoạt động trong một dải mômen - tốc độ rộng: mômen cao, thiết kế
nhỏ gọn. Vì vậy, việc giảm thiểu khối lượng ở bước thiết kế khơng chỉ giúp giảm chi
phí sản xuất, mà cịn để có mơmen qn tính nhỏ, trong khi vấn đề về nhiệt và năng
suất động cơ được đảm bảo.

1.2 Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn dùng
cho điện tử cơng suất, cơng suất tính tốn của các chip điện tử và phương pháp toán
ứng dụng trong động cơ, việc điều khiển chính xác mơmen/tốc độ động cơ trong dải
hoạt động rộng trở nên dễ dàng. Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo trên
thế giới tiếp tục phát triển không ngừng:
Phát triển phần mềm mơ hình hóa và kết nối các hiện tượng đa vật lý (cơ-nhiệt-điện
từ-rung-ồn) trong động cơ bằng các mơ hình giải tích và phần tử hữu hạn với sự thỏa
hiệp giữa cấp chính xác và thời gian tính tốn [18]–[24], cụ thể một số các nghiên
cứu:
- A. Basu, SA Moosavian, R. Morandini (2005) [17] đã trình bày tối ưu động cơ servo
nam châm vĩnh cửu bằng cách tối ưu hóa cơ học kích thước và hình dạng nam châm.
Tác giả đã phân tích các loại hình dạng và vị trí nam châm để có được mơmen xoắn
cao cho động cơ servo. Kết quả lựa chọn được hình dạng nam châm trên rotor để có
mơmen xoắn cao nhất, thử nghiệm mẫu thử để xác nhận kết quả.
- Jean Le Besnerais, Vincent Lanfranchi, Michel Hecquet, Raphael Romary, Pascal

Brochet (2009) [22] trình bày lựa chọn tối ưu của độ mở miệng rãnh stator và rotor
trong động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc để giảm tiếng ồn tạo ra bởi sóng hài.
- Pil-Wan Han, Jae-Hak Choi, Dong-Jun Kim, Yon-Do Chun, Deok-Je Bang (2015)
[25] trình bày phân tích điện từ và nhiệt cho động cơ khơng đồng bộ tốc độ cao. Phân
tích điện từ sử dụng phần tử hữu hạn, phân tích nhiệt sử dụng sơ đồ mạch thay thế.
10


Mơ hình thiết kế cho động cơ có tốc độ 12 00 rpm. Mẫu thử chế tạo và phân tích kết
quả thiết kế điện từ - nhiệt của mơ hình.
- Ji-Young Lee, Byung-Chul Woo, Jong-Moo Kim, Hong-Seok Oh (2017) [23] cung
cấp một thiết kế tối ưu cho động cơ bánh xe. Mục tiêu cải tiến hình dáng lõi sắt stator
của một động cơ nam châm vĩnh cửu để có thể thực hiện việc quấn dây tự động, trong
khi vẫn duy trì các thơng số kỹ thuật của rotor và các đặc tính đầu ra như cơng suất
và hiệu suất. Phương pháp FEA-2D được sử dụng để phân tích điện từ trường trong
quá trình thiết kế. Kết quả thử nghiệm mẫu thử để đánh giá kết quả thiết kế.
Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán tối ưu (SQP - Sequential Quadratic
Programming, GA - Genetic Algorithms, PSO – Particle Swarm Optimization, SpaceMapping) để giải các bài toán thiết kế tối ưu hóa động cơ đơn hoặc đa mục tiêu: giảm
khối lượng/giá, tăng hiệu suất động cơ, tăng mômen cực đại và công suất tại tốc độ
cao [26], [10], [19], [20], [11]–[18], cụ thể một số các nghiên cứu:
- Svante Andersson (2000) [38] đã trình bày tối ưu hóa một động cơ điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sáu cực với phần nam châm gắn trên bề mặt. Mơ hình động cơ
sử dụng thuật toán SQP để tối ưu với hàm mục tiêu f(x) là giảm chi phí vật liệu. Tác
giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng, sản xuất mẫu thử và
so sánh.
- D.A.Staton (2001) [39] với nghiên cứu về việc có thể giảm kích thước động cơ servo
nam châm vĩnh cửu sử dụng mô phỏng Motor-CAD. Tác giả đưa ra một số các phân
tích trình bày mơ phỏng nhiệt trong Motor-CAD để giảm kích thước động cơ mà vẫn
đảm bảo độ tăng nhiệt cho phép tương ứng với cấp cách điện lựa chọn của động cơ.
- Mehmet Çunkaş, Ramazan Akkaya (2006) đã nghiên cứu thiết kế tối ưu cho động

cơ 3 pha rotor lồng sóc [40]. Nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền (GA) với các
hàm mục tiêu riêng biệt (đơn mục tiêu) được đặt ra là cực đại mơmen, tối thiểu chi
phí sản xuất và tối đa hiệu suất động cơ. Ba động cơ được thiết kế tối ưu tương ứng
với 3 mục tiêu trên được so sánh với động cơ ban đầu. Dựa vào kết quả sau khi thiết
kế tối ưu, có thể lựa chọn động cơ phù hợp theo yêu cầu mục tiêu đặt ra.
- Damir Zarko, Drago Ban, Davor Gooricki (2009) [41] đã đưa ra cách tiếp cận cải
tiến thiết kế động cơ servo AC đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp phần
tử hữu hạn (FEA), tối ưu hóa động cơ (tối ưu phần nam châm và kích thước rotor)
bằng cách sử dụng thuật toán tối ưu DE (tiến hóa khác biệt). Nghiên cứu đã phân tích
và so sánh kết quả tối ưu của 3 động cơ khác nhau về hiệu suất và chi phí sản xuất so
với một thiết kế có sẵn. Kết quả sau khi phân tích, động cơ có cải tiến thiết kế tốt nhất
có độ tăng nhiệt thấp hơn, mơmen qn tính nhỏ hơn, chi phí thấp hơn.

11


- Fodorean, D., Idoumghar, L. & Szabó, L. (2013) [34] nghiên cứu sử dụng thuật toán
PSO để thiết kế tối ưu một động cơ nam châm vĩnh cửu PMSM với mục tiêu tối đa
hóa cơng suất đầu ra trong khi yêu cầu khối lượng tối thiểu. Các kết quả sau khi tối
ưu được kiểm nghiệm bằng FEA và thực nghiệm.
- M. Centner (2014) [29] đã đưa ra nguyên lý cơ bản của bài toán tối ưu động cơ nam
châm vĩnh cửu, sử dụng thuật toán NSGA II để tối ưu đa mục tiêu với hàm mục tiêu
cực tiểu chi phí và cực đại hiệu suất. Kết quả đã đưa ra được phân bổ Pareto để giúp
lựa chọn kết quả thiết kế phù hợp.
- Xia, B., Ren, Z., Zhang, Y. & Koh, C. S. (2014) [37] trình bày một giải pháp tối ưu
hóa sử dụng mơ hình Kriging và thuật tốn di truyền GA sử dụng để thiết kế tối ưu
các thiết bị điện từ. Thơng thường, các thuật tốn ngẫu nhiên có thể tìm ra tối ưu tồn
cục, tuy nhiên khối lượng tính tốn lớn, khơng gian tìm kiếm rộng. Trong phương
pháp này, hàm mục tiêu được đánh giá gián tiếp bởi các hàm nội suy, sử dụng mơ
hình Kriging để dự đoán giá trị tại các điểm chưa biết bằng cách tính tốn trung bình

có trọng số của các mẫu đã biết để giảm khơng gian tìm kiếm.
- Stjepan Stipetic and Werner Miebach, Damir Zarko (2015) [42] trình bày tầm quan
trọng của tối ưu hóa. Bài viết trình bày tổng quan các quy trình tối ưu hóa, các thuật
tốn tối ưu hóa để đạt được thiết kế tối ưu trong máy điện (như PSO, GA...). Đối với
quá trình thiết kế máy điện, thiết kế tối ưu là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế máy điện
hiện đại. Trước đây, các kỹ sư chủ yếu dựa vào kinh nghiệm để thiết kế máy phù hợp
với một số mục đích cụ thể. Cách tiếp cận này đảm bảo đạt được một thiết kế đầy đủ
nhưng không đảm bảo thiết kế tối ưu. Mục tiêu của q trình tối ưu hóa có thể là giảm
thiểu giá thành hoặc khối lượng hay tối đa hóa hiệu suất.
- Erkan Mese, Yusuf Yasa, Baris T. Ertugrul, Eyyup Sincar (2015) [43] đã nghiên
cứu so sánh thiết kế một động cơ servo AC nam châm vĩnh cửu có mơmen cao, tốc
độ thấp cho tháp pháo của một trạm vũ khí với một động cơ có sẵn có cùng đường
kính ngồi và chiều dài stator. Động cơ được thiết kế có 36/32 rãnh/cực kết hợp với
cuộn dây tập trung trong khi của động cơ có sẵn có 39/12 rãnh/cực với cuộn dây phân
tán. Kết quả chỉ ra động cơ thiết kế có diện tích phần mơmen khơng đổi lớn hơn nhiều
và độ tăng nhiệt thấp hơn so với động cơ 39/12 rãnh/cực.
- Xiaoyu Liu, Qifang Lin and Weinong Fu (2017) [44] đã trình bày mơ hình chung
mới của sự sắp xếp nam châm, tạo ra nhiều loại cấu trúc rotor khác nhau. Mơ hình
chung có thể tạo ra ít nhất sáu kiểu sắp xếp nam châm được sử dụng phổ biến nhất.
Sau khi tối ưu hóa bằng PSO, cấu trúc của stator tạm thời đạt được mức tối ưu. Sau
đó, q trình tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng thuật tốn NSGA-II. Khi q trình tối
ưu hóa hoàn tất, trong bộ giải pháp Pareto, một giải pháp tối ưu cuối cùng được chọn

12