Tài liệu 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V ĐINH XUÂN QUYẾT [email protected] Ngành Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: TS. Bùi Minh Định Chữ ký của GVHD Viện: Điện HÀ NỘI, 10/2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Đinh Xuân Quyết Đề tài luận văn: “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V” Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số SV: CB190083 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22 tháng 10 năm 2021 với các nội dung sau: 1. Bố cục lại các Chương mục. Cập nhật mới các quy chuẩn, tiêu chuẩn. 2. Rà soát lại các lỗi chính tả và các tài liệu trích dẫn. 3. Làm rõ hơn các vấn đề về hiệu suất và kết cấu động cơ. Ngày 29 tháng 10 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Bùi Minh Định Đinh Xuân Quyết CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Đặng Quốc Vương ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu thiết kế mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao khởi động trực tiếp IE3 cấp điện áp 660V (Design and simulation of high efficiency Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor IE3 660V) Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên Bùi Minh Định Lời cảm ơn Những nội dung trong luận văn này được tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Giáo viên hướng dẫn. Đầu tiên, tôi xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Bùi Minh Định (Bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội) người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ quá trình học tập và nghiên cứu. Ngoài những kiến thức chuyên môn và kỹ năng trong nghiên cứu thì thầy đã truyền cho tôi nhiều động lực để phấn đấu và hoàn thiện bản thân. Bên cạnh đó, tôi xin được gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ cho tôi trong thời gian học tập. Tôi xin được dành lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp những người luôn bên cạnh để ủng hộ, cổ vũ tinh thần cho tôi. Mặc dù đã cố gắng hết sức mình, nhưng do khả năng hạn chế của bản thân cho nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được các góp ý từ các thầy cô, các đồng nghiệp quan tâm đến luận văn này để vấn đề nghiên cứu trong luận văn được sáng tỏ, hoàn thiện hơn./. Tóm tắt nội dung luận văn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp từ lưới viết tắt là LSPMSM (Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor) là một loại động cơ mới được phát triển trong thập kỷ gần đây, động cơ LSPMSM là sự kết hợp của động cơ đồng bộ rotor nam châm gắn chìm viết tắt là IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) và động cơ không đồng bộ rotor có vành ngắn mạch viết tắt là IM (Interior Motor). Các động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu LSPMSM có cấp điện áp thông thường là 380VAC. Để áp dụng vào công nghiêp có thị trường ngách như lĩnh vực mỏ có điện áp 660VAC. Với cùng kích thước và chiều cao tâm trục, và công suất động cơ việc bố trí tối ưu kết cấu nam châm để tạo ra từ thông và sức điện động tương ứng cho điện áp 660VAC vẫn đảm bảo hiệu suất cấp IE3. Động cơ LSPMSM được dùng làm động cơ điện phòng nổ, được ứng dụng trong lĩnh vực hầm mỏ, chống cháy nổ. Dùng trong môi trường khắc nghiệt như: khai thác mỏ, khai thác khoáng sản, luyện kim, bơm xăng dầu và trong môi trường dễ cháy nổ. Việc tính tính toán mô phỏng và đặt hệ thống cảnh báo nhiệt độ bên trong động cơ cũng được quan tâm trong thiết kế nhằm đảm bảo động cơ không bị quá nhiệt vì nếu mức quá nhiệt 10% thời gian lâu sẽ làm suy giảm mật độ từ dư của động cơ 15% - 20%. Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của điện áp đến chất lượng hiệu suất, khởi động và quá nhiệt của động cơ. Việc ứng dụng các công cụ thiết kế mô phỏng chuyên dụng như phần mềm: Simcenter Speed, Ansys Maxwell, Motor CAD, và phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) vào thiết kế sẽ giúp tối ưu thiết kế, tìm điểm làm việc tới hạn. Đặc biệt để ước lượng độ chênh lệch nhiệt độ của nam châm so với nhiệt độ dây quấn stator. Vì nhiệt độ bên trong nam châm rất khó có thể đo được, do nam châm đặt trên rotor quay với tốc độ cao nên không có cảm biến tiếp xúc được với rotor để đo được nhiệt độ của nam châm vĩnh cửu. Tiết kiệm điện là một trong những ưu tiên hàng đầu trong phát triển kinh tế xã hội ở nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Chính vì thế việc nâng cao hiệu suất của của hệ thống tiêu thụ điện là hết sức cần thiết. Điều này đặt ra vấn đề nâng cao hiệu suất cho động cơ điện, để giảm thiểu chi phí điện năng. Việc làm chủ thiết kế chế tạo sẽ giúp doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh, đa dạng hóa sản phẩm và tạo ra được động cơ cấp hiệu suất IE3, giúp tiết kiệm 3% - 5% so với động cơ điện thông thường trong lĩnh vực khai thác mỏ hầm lò. HỌC VIÊN Ký và ghi rõ họ tên Đinh Xuân Quyết MỤC LỤC Lời cảm ơn ...................................................................................................................iv Tóm tắt nội dung luận văn ........................................................................................... v TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ LSPMSM............................... 1 1.1 Giới thiệu về động cơ LSPMSM ......................................................................... 1 1.2 Cấu tạo động cơ LSPMSM.................................................................................. 2 1.3 1.4 1.2.1 Phần tĩnh .............................................................................................. 2 1.2.2 Phần động............................................................................................. 4 Nguyên lý hoạt động của động cơ LSPMSM ....................................................... 5 1.3.1 Quá trình khởi động .............................................................................. 6 1.3.2 Quá trình hoạt động tĩnh .......................................................................7 Ứng dụng của động cơ LSPMSM........................................................................7 1.4.1 Giới thiệu chung về động cơ phòng nổ ................................................. 7 1.4.2 Tình hình nghiên cứu động cơ phòng nổ ............................................... 8 1.4.3 Các tiêu chuẩn động thiết kế động cơ LSPMSM cho phòng nổ ........... 10 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ....................................... 23 2.1 2.2 2.3 Phương án thiết kế............................................................................................. 23 2.1.1 Thiết kế mới hoàn toàn ....................................................................... 23 2.1.2 Thiết kế cải tiến .................................................................................. 23 Phương pháp tính toán ...................................................................................... 23 2.2.1 Tính toán giải tích............................................................................... 23 2.2.2 Phương pháp tính toán hiện đại........................................................... 23 Trình tự thiết kế ................................................................................................ 24 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ LSPMSM HIỆU SUẤT VÀ ĐIỆN ÁP CAO 26 3.1 Yêu cầu thiết kế ................................................................................................ 26 3.2 Tính toán thiết kế các kích thước động cơ ......................................................... 26 3.2.1 Tính chọn kích thước stator ................................................................ 26 3.2.2 Tính toán dây quấn, rãnh stator và khe hở không khí .......................... 29 3.2.3 Tính toán rãnh và gông rotor............................................................... 36 3.2.4 Tính toán kích thước và vị trí đặt nam châm vĩnh cửu ........................ 40 3.2.5 Tính toán mạch từ động cơ ................................................................. 42 3.2.6 Tham số của động cơ ở chế độ định mức ............................................ 45 3.2.7 Tổn hao và hiệu suất động cơ ............................................................. 47 3.3 3.4 Tính toán kết cấu cơ khí cho động cơ ................................................................ 50 3.3.1 Kết cấu vỏ stator ................................................................................. 50 3.3.2 Kết cấu rotor....................................................................................... 51 3.3.3 Kết cấu trục quay................................................................................ 51 Kết quả thiết kế động cơ LSPMSM ................................................................... 52 3.4.1 Kích thước hình học bên ngoài ........................................................... 52 3.4.2 Kích thước hình học bên trong............................................................ 53 3.4.3 Bố trí dây quấn ................................................................................... 55 3.4.4 Kết quả tính toán thiết kế điện từ ........................................................ 56 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LSPMSM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SIMCENTER SPEED ................................................................................. 60 4.1 Giới thiệu phần mềm Simcenter Speed .............................................................. 60 4.2 Thiết lập thông số đầu vào................................................................................. 61 4.3 4.2.1 Thiết lập thông số thép kỹ thuật điện .................................................. 61 4.2.2 Thiết lập thông số nam châm vĩnh cửu................................................ 62 4.2.3 Thiết lập thông số kích thước hình học ............................................... 62 Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 65 4.3.1 Kết quả mô phỏng tĩnh ....................................................................... 65 4.3.2 Kết quả mô phỏng điện từ ................................................................... 68 4.3.3 Kết quả mô phỏng đặc tính làm việc ................................................... 70 TÍNH TOÁN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM............................. 73 5.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 73 5.2 Phương pháp tính toán, mô phỏng nhiệt cho động cơ điện ................................. 73 5.3 Xây dựng mô hình mạch nhiệt........................................................................... 76 5.4 Tính toán các giá trị nhiệt trở trên sơ đồ mạch nhiệt .......................................... 77 5.4.1 Nhiệt trở dẫn nhiệt giữa vỏ máy và môi trường làm mát ..................... 77 5.4.2 Nhiệt trở dẫn nhiệt giữa gông stator và môi trường làm mát ............... 81 5.4.3 Nhiệt trở dẫn nhiệt giữa răng stator và gông stator .............................. 82 5.4.4 Nhiệt trở dẫn nhiệt dây quấn stator ..................................................... 83 5.4.5 Môi trường không khí bên trong động cơ............................................ 87 5.4.6 Khe hở không khí ............................................................................... 90 5.4.7 Nhiệt trở dẫn nhiệt rotor ..................................................................... 92 5.5 Tính toán các thông số tổn hao .......................................................................... 96 5.6 Kết quả tính toán nhiệt ...................................................................................... 99 MÔ PHỎNG NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ LSPMSM SỬ DỤNG PHẦN MỀM MOTOR CAD ................................................................................................ 103 6.1 Giới thiệu phần mềm Motor CAD ................................................................... 103 6.2 Thiết lập thông số đầu vào............................................................................... 104 6.3 6.2.1 Thiết lập thông số hình học............................................................... 104 6.2.2 Thiết lập thông số dây quấn .............................................................. 106 6.2.3 Thiết lập thông số tổn hao................................................................. 106 Kết quả mô phỏng nhiệt .................................................................................. 107 KẾT LUẬN......................................................................................... 110 7.1 Kết luận .......................................................................................................... 110 7.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai................................................. 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 112 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 115 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo động cơ LSPMSM ............................................................................... 2 Hình 1.2 Các bộ phận chính của động cơ ........................................................................ 3 Hình 1.3 Cấu tạo lõi thép stator....................................................................................... 3 Hình 1.4 Cấu tạo dây quấn stator .................................................................................... 4 Hình 1.5 Khe hở không khí giữa bề mặt rotor và mặt trong của stator ............................. 4 Hình 1.6 Cấu trúc rotor của động cơ LSPMSM ............................................................... 5 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động động cơ.................................................................. 6 Hình 1.8 Từ trường quay rotor ........................................................................................ 7 Hình 1.9 Thông số động cơ không đồng bộ 11kW IE3 phòng nổ hãng ABB ................... 9 Hình 1.10 Chiều cao tâm trục của động cơ .................................................................... 11 Hình 1.11 Tiêu chuẩn IEC-60034-30 về hiệu suất theo công suất của động cơ điện ...... 12 Hình 1.12 Chế độ làm việc liên tục – Kiểu chế độ làm việc S1 ...................................... 16 Hình 1.13 Phương pháp làm mát theo IC411 (Quạt kiểu TEFC) ................................... 18 Hình 1.14 Nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor ............................................................... 19 Hình 1.15 Đường cong từ hóa của nam châm từ cứng - Tích năng lượng ...................... 19 Hình 1.16 Hình ảnh phát triển của các vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu .................. 20 Hình 1.17 Đặc tính khử từ của nam châm vĩnh cửu do sự tăng nhiệt ............................. 21 Hình 1.18 Sự thay đổi đặc tính B-H của nam châm NdFeB-N38 theo nhiệt độ.............. 22 Hình 2.1 Sơ đồ khối các bước tính toán thiết kế động cơ điện ....................................... 25 Hình 3.1 Chiều cao tâm trục của động cơ ...................................................................... 27 Hình 3.2 Cấu tạo ½ lá thép stator .................................................................................. 27 Hình 3.3 Cấu tạo rãnh stator ......................................................................................... 33 Hình 3.4 Cấu tạo ½ lá thép rotor ................................................................................... 36 Hình 3.5 Cấu tạo rãnh rotor........................................................................................... 38 Hình 4.6 Vành ngắn mạch............................................................................................. 40 Hình 3.7 Bố trí nam châm vĩnh cửu .............................................................................. 40 Hình 3.8 Khoảng cách cầu nối Wf ................................................................................. 42 Hình 3.9 Kích thước bối dây stator ............................................................................... 45 Hình 3.10 Kích thước gân tản nhiệt ngoài vỏ máy......................................................... 50 Hình 3.11 Cấu tạo quạt gió động cơ .............................................................................. 51 Hình 3.12 Kích thước lắp ráp động cơ .......................................................................... 52 Hình 3.13 Mô hình 3D của động cơ LSPMSM.............................................................. 53 Hình 3.14 Cấu tạo lõi thép của động cơ LSPMSM ........................................................ 54 Hình 3.15 Kích thước lá thép stator............................................................................... 54 Hình 3.16 Kích thước lá thép rotor và vành ngắn mạch ................................................. 54 Hình 3.17 Sơ đồ bố trí dây quấn trên rãnh stator ........................................................... 55 Hình 3.18 Sơ đồ trải dây quấn của động cơ ................................................................... 55 Hình 3.19 Sơ đồ bố trí dây quấn 2 lớp bước ngắn ......................................................... 56 Hình 5.1 Quy trình làm việc phần mềm SPEED ............................................................ 61 Hình 4.2 Thông số đường cong B-H của thép M300-35A ............................................. 61 Hình 4.3 Thông số của thép M300-35A ........................................................................ 62 Hình 4.4 Thông số nam châm NdFeB-N38H ................................................................ 62 Hình 4.5 Kết cấu động cơ LSPMSM thiết kế trên phần mềm SPEED ........................... 63 Hình 4.6 Các thông số hình học nhập vào phần mềm SPEED ....................................... 64 Hình 4.7 Thông số dây quấn nhập vào phần mềm SPEED ............................................ 65 Hình 4.8 Kết quả mô phỏng tĩnh ................................................................................... 65 Hình 4.9 Kết quả tính toán mật độ từ thông................................................................... 66 Hình 4.10 Sức điện động trên gông và răng rotor .......................................................... 66 Hình 4.11 Dòng điện và sức điện động trên stator ......................................................... 67 Hình 4.12 Mật độ từ thông và sức điện động trên rotor ................................................. 67 Hình 4.13 Kết quả phân tích mật độ từ cảm .................................................................. 68 Hình 4.14 Kết quả phân tích mật độ từ cảm tại chân rãnh nối với barie từ..................... 69 Hình 4.15 Phân bố mật độ từ trường khe hở không khí khi không tải ............................ 69 Hình 4.16 Mật độ từ thông khe hở không khí ................................................................ 70 Hình 4.17 Đường đặc tính tốc độ theo thời gian ............................................................ 70 Hình 4.18 Đường đặc tính mô-men với tốc độ khi khởi động ........................................ 71 Hình 4.19 Đồ thị dòng điện khi khởi động .................................................................... 71 Hình 4.20 Dòng điện dọc trục, dòng điện ngang trục .................................................... 71 Hình 5.1 Mô hình mạch nhiệt tập trung đơn giản .......................................................... 74 Hình 5.2 Mô hình FEA phân tích nhiệt độ dây quấn...................................................... 75 Hình 5.3 Mô hình CFD phân tích nhiệt và chuyển động chất lưu cho động cơ điện....... 75 Hình 5.4 Sơ đồ mạch nhiệt tập trung cho động cơ LSPMSM ........................................ 76 Hình 5.5 Mạch nhiệt vỏ máy và nhiệt độ môi trường .................................................... 77 Hình 5.6 Kích thước gân tản nhiệt................................................................................. 78 Hình 5.7 Phân bố thông thường về sự thay đổi tốc độ dòng khí trong gân tản nhiệt ...... 79 Hình 5.8 Nhiệt trở giữa gông và vỏ máy ....................................................................... 82 Hình 5.9 Chuyển đổi dạng rãnh stator ........................................................................... 83 Hình 5.10 Tỷ lệ phần trăm theo thể tích của kim loại có trong rãnh............................... 85 Hình 5.11 Dòng nhiệt từ bên trong các bối dây quấn ..................................................... 85 Hình 5.12 Mô hình nhiệt của một vòng dây quấn .......................................................... 86 Hình 5.13 Mô hình nhiệt của dây quấn stator ................................................................ 86 Hình 5.14 Mô hình nhiệt các phần của động cơ............................................................. 87 Hình 5.15 Không khí tản nhiệt cho động cơ .................................................................. 88 Hình 5.16 Mạch nhiệt trở tương đương Y/∆ .................................................................. 90 Hình 5.17 Phân bố vùng dẫn nhiệt trên rotor ................................................................. 92 Hình 5.18 Mô hình nhiệt giữa hai ổ bi........................................................................... 96 Hình 5.19 Kết quả tính toán tổn hao dùng phần mềm SPEED ....................................... 97 Hình 5.20 Tổn hao sắt tính toán trên phần mềm SPEED ............................................... 97 Hình 5.21 Tổn hao nam châm vĩnh cửu theo nhiệt độ ................................................... 98 Hình 5.22 Mạch điện tính toán nhiệt trên phần mềm PSIM ......................................... 101 Hình 6.1 Mô hình mạch nhiệt trên phần mềm Motor CAD.......................................... 103 Hình 6.2 Thông số hình học theo phương hướng kính ................................................. 105 Hình 6.3 Thông số hình học theo phương dọc trục ...................................................... 105 Hình 6.4 Kiểm tra hình dạng 3D của kết cấu làm mát sử dụng cho động cơ ................ 105 Hình 6.5 Mô hình dây quấn nhập vào phần mềm Motor CAD..................................... 106 Hình 6.6 Bảng nhập thông số tổn hao.......................................................................... 107 Hình 6.7 Sơ đồ mạch nhiệt trong phần mềm Motor CAD ............................................ 107 Hình 6.8 Sơ đồ phân bố nhiệt độ theo phương hướng kính của động cơ ...................... 108 Hình 6.9 Sơ đồ phân bố nhiệt độ theo phương dọc trục của động cơ ........................... 108 Hình 6.10 Kết quả các giá trị mô phỏng nhiệt ............................................................. 108 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại động cơ phòng nổ không đồng bộ rotor lồng sóc của VIHEM .......... 10 Bảng 1.2 Bảng phân cấp hiệu suất động cơ theo tiêu chuẩn IEC-60034-30 ................... 13 Bảng 1.3 Ý nghĩa các chỉ số IP [12] .............................................................................. 13 Bảng 1.4 Các cấp chịu nhiệt [13] .................................................................................. 14 Bảng 1.5 Tiêu chuẩn về thông gió và làm mát [15] ....................................................... 17 Bảng 1.6 Bề rộng khe hở không khí [5]......................................................................... 18 Bảng 3.1 Thông số động cơ LSPMSM cần thiết kế ....................................................... 26 Bảng 3.2 Thông số nam châm vĩnh cửu NdFeB-N38H ................................................. 40 Bảng 3.3 Bảng thông số lắp ráp hình học bên ngoài động cơ......................................... 52 Bảng 3.4 Bảng thông số lắp ráp hình học bên trong động cơ ......................................... 53 Bảng 3.5 Bảng thông số bố trí dây quấn phần ứng ........................................................ 55 Bảng 3.6 Bảng thông số kết quả tính toán thiết kế động cơ LSPMSM........................... 56 Bảng 4.1 Bảng thông số kích thước hình học của động cơ ............................................ 63 Bảng 4.2 Bảng nhập thông số dây quấn......................................................................... 64 Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả mô phỏng với tính toán giải tích ................................... 65 Bảng 5.1 Bảng thông số nhiệt trở và tổn hao của động cơ LSPMSM ............................ 99 Bảng 5.2 Quan hệ tương đồng giữa đại lượng điện và đại lượng nhiệt ........................ 100 Bảng 5.3 Bảng kết quả tính toán nhiệt bằng tính toán giải tích .................................... 101 Bảng 6.1 Bảng so sánh kết quả tính toán nhiệt ............................................................ 109 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt LSPMSM IM PMSM IPMSM TEFC IP Diễn giải Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor Interior Motor Permanent Magnet Synchronous Motor Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Totally Enclosed Fan Cooled Ý nghĩa Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp Động cơ không đồng bộ rotor có vành ngắn mạch Động cơ đồng bộ rotor nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ rotor nam châm vĩnh cửu gắn chìm Động cơ được đóng kín hoàn toàn và được làm mát bằng quạt International Protection Tiêu chuẩn bảo vệ quốc tế International Electrotechnical Commission Ủy ban Kỹ thuật điện Quốc tế Tiêu chuẩn Việt Nam Bộ tiêu chuẩn của Việt Nam IC Index of Cooling Chỉ số làm mát IE International Efficiency Tiêu chuẩn về hiệu suất FEM Finite Element Method Phương pháp các phần tử hữu hạn FEA Finite Element Analysis Phân tích các phần tử hữu hạn CFD Computational Fluid Dynamics Động lực học chất lưu CGS Centimetre Gram Second System Hệ đơn vị của Vật lý TENV Totally Enclosed Non Ventilated Loại vỏ kín, thông gió tự nhiên TV Through Ventilation Thông gió xuyên qua LC Liquid Cooling Làm mát bằng chất lỏng IEC TCVN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Diễn giải n Vòng/phút f Hz p Cặp cực Fđt N Lực điện từ E V Sức điện động η % Hiệu suất của động cơ Pđm kW Công suất động cơ P’ kVA Công suất tính toán Uđm V Điện áp định mức Up V Điện áp pha IP A Dòng điện định mức pha của động cơ h mm Chiều cao tâm trục động cơ  mm Chiều rộng khe hở không khí Dn mm Đường kính ngoài stator D mm Đường kính trong stator mm Khoảng cách bước cực stator l1 mm Chiều dài lõi sắt stator l2 mm Chiều dài lõi sắt rotor lδ mm Chiều dài sơ bộ lõi sắt stator Bδ T A A/cm Tải đường bằng Z1 Rãnh Số rãnh stator m Pha ur1 Thanh t1 mm a1 Mạch Số mạch nhánh song song stator q1 Rãnh Số rãnh một pha dưới mỗi cực stator Rãnh Số rãnh trên một bước cực stator w1 Vòng Số vòng dây nối tiếp của một pha stator J1 A/mm2 SCu mm2 Tốc độ từ trường quay, tốc độ đồng bộ Tần số nguồn điện Số cặp cực của dây quấn stator Mật độ từ thông tại khe hở không khí Số pha động cơ Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh stator Bước rãnh stator Mật độ dòng điện dây quấn stator Tiết diện dây dẫn stator không tính cách điện S1d mm2 Tiết diện dây dẫn stator kể cả cách điện d mm Đường kính dây stator không tính cách điện dcđ mm Đường kính dây dẫn stator kể cả cách điện y1 Bước α Độ Góc điện giữa hai rãnh stator ∅ Wb Từ thông khe hở không khí Bz1 T Mật độ từ thông răng stator hg1 mm Chiều cao gông stator hg2 mm Chiều cao gông rotor Bg1 T Mật độ từ thông gông stator d1s mm Đường kính nhỏ rãnh stator d2s mm Đường kính lớn rãnh stator h 41s mm Chiều cao miệng rãnh stator b 41s mm Chiều rộng miệng rãnh stator h2s mm Chiều cao rãnh stator Scđ mm2 Diện tích cách điện rãnh stator Sr mm2 Diện tích có ích rãnh stator bz1 mm Bề rộng trung bình răng stator D’ mm Đường kính ngoài rotor Z2 Rãnh Số rãnh của rotor Dt mm Đường kính trục rotor bz2 mm Bề rộng trung bình răng rotor Bz2 T Mật độ từ thông răng rotor Itd A Dòng điện trong thanh dẫn rotor IV A Dòng điện trong thanh dẫn vành ngắn mạch Jtd A/mm2 SV mm2 Tiết diện vành ngắn mạch d1r mm Đường kính nhỏ rãnh rotor d2r mm Đường kính lớn rãnh rotor h 41r mm Chiều cao miệng rãnh rotor b 41r mm Chiều rộng miệng rãnh rotor h2r mm Chiều cao rãnh rotor Sr2 mm2 Diện tích rãnh rotor Bước dây quấn Mật độ dòng điện thanh dẫn rotor a mm Chiều cao vành ngắn mạch b mm Chiều rộng vành ngắn mạch Dv mm Đường kính vành ngắn mạch Wm mm Chiều rộng nam châm vĩnh cửu Hm mm Chiều dài nam châm vĩnh cửu Vm mm3 Thể tích nam châm vĩnh cửu Lm mm Độ dày nam châm vĩnh cửu Br T Hc kA/m O1 mm Khoảng các từ tâm tới nam châm vĩnh cửu Wf mm Khoảng cách cầu nối F A Hz1 A/cm Fz1 A Hz2 A/cm Fz2 A Lg1 mm Fg1 A Sức từ động ở gông stator Bg1 T Mật độ từ thông gông stator Bg2 T Mật độ từ thông gông rotor Hg2 A/cm Lg2 mm Fg2 A Sức từ động ở gông rotor F A Tổng sức từ động của mạch từ Iμ A Dòng điện từ hóa ld1 mm Chiều dài phần đấu nối của dây quấn stator L1 mm Chiều dài dây quấn một pha stator r1 Ω Điện trở tác dụng của dây quấn stator Gz1 kg Trọng lượng răng stator Gg1 kg Trọng lượng gông từ stator ∆PFeg1 W Tổn hao thép trên gông stator ∆P W Tổn hao đồng trên dây quấn stator ∆PFer1 W Tổn hao thép trên răng stator Mật độ từ dư nam châm vĩnh cửu Cường độ từ trường cực đại nam châm Sức từ động khe hở không khí Cường độ từ trường trên răng stator Sức từ động trên răng stator Cường độ từ trường trên răng rotor Sức từ động trên răng rotor Chiều dài mạch từ ở gông stator Cường độ từ trường trên gông rotor Chiều dài mạch từ ở gông rotor ∆PCo W Tổn hao cơ của động cơ ∆PPhu W Tổn hao phụ của động cơ ∆P W Tổng tổn hao của động cơ lt mm Chiều dài đầu trục động cơ Mđt Nm Mô-men điện từ đầu trục động cơ ω rad/s Vận tốc góc động cơ ngt Gân Số gân tản nhiệt trên vỏ stator Dng mm Đường kính vỏ ngoài stator nq Cánh Số cánh quạt làm mát cg mm Khoảng cách giữa 2 gân tản nhiệt bg mm Độ rộng gân tản nhiệt hg mm Chiều cao gân tản nhiệt Lma mm Chiều dài vỏ máy Lđn mm Chiều dài phần đấu nối của động cơ Lđc mm Chiều dài của động cơ Ikđ A At mm Chiều rộng gối trục động cơ Pt mm Chiều cao động cơ Rth1 K/W Nhiệt trở giữa vỏ máy và môi trường Rth2 K/W Nhiệt trở giữa vỏ máy và gông stator Rth3 K/W Nhiệt trở giữa gông stator và răng stator Rth4 K/W Nhiệt trở giữa răng stator và dây quấn stator Rth5 K/W Nhiệt trở bên trong bối dây quấn stator Rth6 K/W Nhiệt trở giữa bề mặt rotor và vỏ máy Rth7 K/W Nhiệt trở giữa bề mặt rotor và cuối bối dây Rth8 K/W Nhiệt trở giữa vỏ máy và cuối bối dây quấn Rth9 K/W Nhiệt trở giữa răng stator và bề mặt rotor Rth10 K/W Nhiệt trở giữa răng rotor và nửa trên NC Rth11a K/W Nhiệt trở của nửa trên nam châm Rth11b K/W Nhiệt trở của nửa dưới nam châm Rth12 K/W Nhiệt trở từ nửa dưới nam châm ra ổ bi Rth13 K/W Nhiệt trở giữa ổ bi và vỏ máy An mm2 Diện tích bề mặt vỏ máy Dòng điện khởi động lớn nhất Rng mm Bán kính vỏ máy Dđh mm Đường kính khí động học λa W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của không khí p Air kg/m3 Khối lượng riêng của không khí CPAir J/kg.K Nhiệt dung riêng của không khí v Air m/s λironf W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của gang λFe W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của thép λi W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ngâm tẩm λCu W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của đồng λAl W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của nhôm λMag W/m.K Hệ số dẫn nhiệt của nam châm vĩnh cửu vr m/s Vận tốc không khí Tốc độ dài của 1 điểm trên bề mặt của rotor kμ Hệ số bão hòa toàn mạch kz Hệ số bão hòa răng kδ Hệ số khe hở không khí kocf Hệ số quá tải nam châm vĩnh cửu kfd Hệ số hình dáng từ hóa nam châm vĩnh cửu kEC Hệ số sức điện động ξ Hệ số sử dụng nam châm vĩnh cửu kI Hệ số phụ thuộc cosφ của máy kc Hệ số ép chặt lõi sắt k Hệ số bước ngắn k Hệ số bước rải aδ Hệ số xung cực từ ks Hệ số dạng sóng kd Hệ số dây quấn λ Hệ số kinh tế kD Quan hệ giữa đường kính trong/ngoài stator kE Hệ số phản điện cosφ Hệ số công suất β kkđ Tỷ số bước dây quấn Bội số của dòng điện khởi động TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ LSPMSM 1.1 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 1955. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu, loại động cơ này khó được hiện thực và sản xuất thương mại do chất lượng nam châm còn rất thấp và động cơ làm việc không ổn định. 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 không được hiện thực hóa. Trong những năm gần đây, vật liệu chế tạo nam châm đất hiếm chất lượng cao đã phát triển rất tốt nên giá thành giảm dần, tạo môi trường thuận lợi cho động cơ LSPMSM phát triển. Động cơ LSPMSM là sự kết hợp của động cơ đồng bộ rotor nam châm gắn chìm (IPMSM) và động cơ không đồng bộ rotor có vành ngắn mạch (IM). Với động cơ đồng bộ rotor nam châm gắn chìm (IPMSM) có những ưu điểm rất lớn như: Hiệu suất và hệ số công suất đều cao hơn so với động cơ không đồng bộ hay động cơ một chiều, kích thước nhỏ gọn, tổn hao nhiệt thấp và có tuổi thọ cao. Tuy nhiên động cơ này lại có một nhược điểm rất lớn đó là động cơ không thể tự khởi động do không có mô-men khởi động ban đầu, ngoài ra nam châm vĩnh cửu cũng tạo ra mô-men cản phụ dẫn đến quá trình khởi động rất khó khăn. Với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (IM) tuy được sử dụng rộng rãi với các ưu điểm như tự khởi động được trực tiếp, vận hành dễ dàng, giá thành rẻ tuy nhiên nhược điểm rất lớn của loại động cơ này là có hiệu suất và hệ số công suất khá thấp khi muốn tăng hiệu suất thì vật liệu và kích thước động cơ cũng tăng theo. Đối với động cơ LSPMSM có cấu tạo kết hợp từ cả hai loại động cơ sao cho phát huy tối đa ưu điểm của cả hai loại động cơ nói trên. Nhờ đó mà nó có được những ưu điểm vượt trội của cả hai loại động cơ này như: tổn hao thấp, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, hệ số công suất xấp xỉ bằng 1 và đặc biệt là có khả năng tự khởi động. Động cơ LSPMSM rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu tốc độ không đổi và công suất nhỏ. Động cơ LSPMSM có quá trình khởi động hoàn toàn giống với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhưng lại làm việc với tốc độ đồng bộ như động cơ đồng bộ. Động cơ LSPMSM [1]: Là động cơ lai, với dây quấn ba pha phân bố trong các rãnh stator (tương tự với dây quấn động cơ IM), có rotor với lồng sóc nhôm và nam châm vĩnh 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 mô-men cao, làm việc với tốc độ đồng bộ cố định và phù hợp với các phụ tải có mô-men quán tính thấp. Do không có tổn thất nhiệt trên lồng sóc nhôm 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 1