Luận án Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu

 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
 NGUYỄN VŨ THANH 
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
 BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện 
 Mã số: 62520202 
 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN 
 HÀ NỘI - 2015 
 Công trình này được hoàn thành tại: 
 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Người hướng dẫn khoa học: 1.PGS.TS. Bùi Đình Tiếu 
 2.TS. Phạm Hùng Phi 
 Phản biện 1: 
 Phản biện 2: 
 Phản biện 3: 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ 
cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 
 Vào hồi .. giờ, ngày  tháng. năm . 
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
 MỞ ĐẦU 
 1. Tính cấp thiết của đề tài 
 2. Mục đích nghiên cứu 
 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
 Đối tượng nghiên cứu: 
 7 5 
 ỏ ờ ỏ 
 ú ờ q 
q . 
 Phạm vi nghiên cứu: ỏ 
q ỏ 
IE4 
 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 
 Ý nghĩa khoa học: 
 – ờ ỏ 
pháp này. 
 q 
 φ 
 ắ 
 ú 
 Ý nghĩa thực tiễn: 
 1 
 ọ ễ 
 5. Bố cục của luận án. q 
 5 3 : 
 : q 
 2: – ờ 
 3: 
 4: u 7,5kW 
 5: q 
 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1.1 So sánh giữa động c kh ng đ ng ộ IM và động c đ ng ộ a 
 pha nam ch m vĩnh c u kh i động trực tiếp v i lư i điện LSPMSM 
 ỏ 
 I 
 [10][15-17][19][32][79]. 
 : [93], Rong-Jie Wang [72], Yaxin 
Bao X. Feng [97][95][96], Marcic [80] 
1.2 M hình hóa động c LSPMSM 
 ắ 98 
 : P. W. Huang [64], Yun Hyun Cho [45], Rabbi [66], J. M. 
Lee [46], Akeshi Takahashi [12] 
 ỏ ú 
 q q ờ q 
 q ọ ờ 
 q 
 q ỏ 
 – ờ ỏ 
 : Kazumi Kurihara [51], Nedelcu [61] İ ı [36], Tongshan Diao 
[89], Takahashi [82] 
1.3 Cấu tr c rotor động c LSPMSM 
 ú 
 3) Rong-Jie Wang [72], 
Tianhu Ruan [83], İlhan Tarımer [36], Shehata [76], Tingting Ding [86], Takahashi 
[81], Saikusa [73], Jeong-Jong Lee [44], Jedryczka 42 
 ú 
1.4 Thuật toán thiết kế động c LSPMSM 
 Tine MARČIČ [84] 
 E Solmaz 
Kahourzade [78] ọ 
 I ắ 
 q A.J Sorgdrager [11] 
 F. Libert [31] 
 2 
 ắ ắ E 
 Enc d; Xq. 
 (a) (b) (c) (d) 
 (e) (f) (g) (h) 
 (i) (j) (k) (m) 
 (n) (p) 
 nh 3 Nhữ (nguồn: 
 [36][44][72][73][76][81][83][86]) 
1.5 Các nghiên cứu h trợ thiết kế 
 İ ı [36] 
 ỏ 
 M. Hadef [58] 
 d q ú ắ 
 Hassanpour Isfahani [18] 
 q d 
 ú ắ ; Dong, J.[40] ắ 
 d q 
Thomas A. Lipo [71] 
 ắ 
 q ờ 
 ờ - 
[24][60][70] 
 q 
STOIA [24] g 
 3 
 ỏ q ờ - 
 q 
 [22] 
 g 
 ú q 
 ờ - 
 g m. Mihai Comanescu [60] 
 g 
 Hassanpour Isfahani [13] 
 ờ – 
 [50] 
 [67][75] 
 Aliabad [14] ỏ ú 
 ú ú 
 q [30] 
 . Pyrhonen [25] 
LSPMSM. Yan Hu [98] 
 Ionel [39] 
 ắ Bingyi 
[99] 
 Zhang Aijun [56] 
Claudia A. da Silva [23] Enc 1 
 – ờ Tine MARČIČ [85] 
kim nhôm. 
1.6 Tối ưu động c 
 q 
 ú ọ [34] 
 I 
 q 
 E [8] 
 ắ 
 q 
 -Tae 
Song [43] 
Kwang Hee Kim [52] 
 q listratova [ ] to i u o n M M a u hı nh 
nam ha m vuo n a n hı m v i ie n ra n uo mu tie u to i a hie u sua t va to i 
thie u mo men a n h n pha p to i u s u n la xhaustive numeration 
 e t qua to i u so sa nh v i o n IM 
 4 
1.7 C ng cụ m ph ng 
 q 
 – ờ : Finite Element Method Magnetics 
(FEMM), Cobham Opera-2D, ANSYS Electromagnetics Solutions (Ansoft Maxwell 
2D), Infolytica MagNet. ỏ 
 – ờ ờ E 
 Dr. Mani Mina [27] tr n Iowa tate 2 ọ 
 2 ỏ q 
 ỏ ọ 2 
1.8 Kết luận 
 ú 
 ú ắ 3 : 
 ú 
 ú 
 g ú ỏ 
 ỏ 
 ú ắ 3 (d)). 
 g q ọ q 
 g q ẽ 
 m 
 g và Bm 
 q 
 m 
 m q 
thông Bm 
nhau. D. Stoia [79] 1. 
 q 
 q q 
 q 
 [11][31][78][84] 
 ẽ 
 2 
 4 998 
 2 3 9 
 I 
 5 
 ắ 8 : 
 ắ 
 ễ – ờ 
 2 9 
 EI 
 IE4 
 ẽ 7 5 IE4 
 CHƯƠNG 2: M H NH LIÊN KẾT GI A MẠCH ĐIỆN – T TRƯỜNG 
2.1 M hình nam ch m vĩnh c u 
 ờ 69 
 q ờ 
 (2.1) 
 : M ( ); H ( ờ ờ ); ( ; 
2.2 M hình trư ng điện t 
2.2.1 Hệ tọa độ tĩnh [29][47] 
 q 
 ( ) 
 (2.19) 
 : ; ; ; dd 
 ; 
2.2.2 Hệ tọa độ động [29][47] 
 q 
 ( ) ( ) ( ) 
 ( ) ( ) ( ) (2.37) 
2.3 Phư ng trình mạch điện 
2.3.1 X t trư ng hợp thanh n 47] 
 q 
 ( )
 q : ∬ (2.44) 
 : j ; j ; 
Ij 
2.3.2 Phư ng trình mạch điện – t trư ng quấn stator 47] 
 q q 
 ờ 1 
 : (2.61) 
 : U1 ; s ; I ; 
Ln ; d ; 
Z) 
2.3.3 Phư ng trình mạch điện – t trư ng thanh n l ng sóc 47] 
 q 
 ( )
 ( ) ∬ (2.65) 
 [ ] [ ][ ] (2.66) 
 6 
 [ ]
 [ ][ ] ([ ] ) [ ] (2.67) 
 : tj ; lsj ; tj 
 ; tj ( ; Itj 
 ; Ivj ắ ; vj ắ ; vj 
 ắ 
2.4 Phư ng trình chu n động 
 2 66 
 ( )
 : (N.m) (2.68) 
 : ; T ; ms ; 
 ; 
2.5 X l kết qu sau m ph ng 
 T 
 ẽ q 
Maxwell 2D: , m 
 q , t q ắ 
 q 
 q – ờ 
 q . 
2.6 M ph ng động c LSPMSM 5kW 
 E 74 7 5 
 : M = 47,8 (Nm); n = 1500 (vph); I = 5,63 (A);  93 
IE4); cos = 0,93; ki = 7,82; km 4 22 32 
2.6.5 Điều kiện iên và chia lư i 
2.6.5.1 Điều kiện iên 
 ờ ú 
 ờ -periodic [47][69]. 
2.6.5.2 Thực hiện chia lư i 
 ọ 
 ờ 
 Sai 
 ch 
 ú 
 ú 
 nh 2 5 ư ồ hự hiệ hia lưới h 
2.7 Kết qu m ph ng động c LSPMSM 5kWLSPMSM 
2.7.1 Mật độ t th ng và sức điện động c m ứng 
 q 
 4 
 7 
 838 
 ỏ 
 2 6 
Bg 577 ỏ 
2.18) 
 nh 2 h i nh 2 h h h i i h 
h h h 7,5kW h 
 nh 2 iệ 
2.7.2 Hiệu n ng quá trình quá độ 
 q q ờ 2 
 47 8 m 8 5 max 389 8 
 ỏ q 
2 9 q ỏ q 547 6 3 7 
 5 q ỏ q 
 q 
 nh 2 nh 2 2 h i 
 kW h 
2.7.3 Hiệu n ng quá trình ác lập 
 q 7499 3 
  926 923 I ỏ 
2 23 IE4 EI 7 5 - 
 22 E 94 93 93 
 7 5 – E 74 ẽ 
 8 
 4 
 nh 2 2 lệ h ha iữa a nh 2 25 iệ hệ 
 h l cos a 
2.8 Kết luận 
 – ờ 
 2.37; 2.61; 2.65; 2.66; 2.67; 2.68 
 ọ 
 q ỏ 
 7 5 – ờ 
 : q 
 q ờ q q ọ 
 q ờ 
 2 q 
 3 7 
  92 6 
(cos 923 q 
IE4 7 5 - 22 E 94]. 
 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỆN T ĐỘNG CƠ LSPMSM 
3.1 Tính toán mật độ t th ng đi m làm việc nam ch m vĩnh c u 
3.1.1 Ph n tích mật độ t th ng nam ch m tại đi m làm việc 
 q 
 q (3.10) 
 : ( ) ; ; 
 : ( ); i ( ); Lm 
 ; m ; lm ; e 
 q ; r 
3.1.2 Xác đ nh mật độ t th ng r ng và g ng của stator và rotor 
 g : (3.14) 
3.1.2.1 Mật độ t th ng r ng của stator và rotor 
 ờ : Bts = ksmBm (3.17) 
 ờ : Btr = krmBm (3.20) 
3.1.2.2 Mật độ t th ng g ng stator và rotor 
 ờ : (3.23) 
 9 
 ờ : (3.26) 
châm v 
3.1.2.3 Tính toán mật độ t th ng nam ch m vĩnh c u tại đi m làm việc 
 ọ 3 2 
3.1.2.4 Kết qu nghiên cứu 
 3 ờ 2 2 ờ 
 m m 
  ờ : m = 2 mm ; Wm = 54mm 
  ờ 2: m = 3 mm ; Wm = 51mm 
  ờ 3: m = 8 mm ; Wm = 40mm 
 q ờ ọ 3 . q 
 ọ : AM 
 3 3 2. FM E 
 2 
 ng h h a ư h a 
 Klm 1,529 1,389 1,168 
 Kc 1,347 1,347 1,347 
 ge 0,0006 0,0006 0,0006 
 ksm 1,132 1,083 0,875 
 krm 0,940 0,871 0,726 
 ksym 1,617 1,547 1,250 
 krym 0,962 0,921 0,744 
 a 6,609 9,794 30,019 
 b 6,395 10,026 33,082 
 c 0,0018 0,0019 0,0024 
 Btr (T) 0,836 0,827 0,785 
 Bts (T) 1,008 1,029 0,945 
 Bry (T) 0,856 0,875 0,804 
 Bsy (T) 1,439 1,470 1,350 
 Htr (A/m) 450 550 460 
 Hts (A/m) 660 840 700 
 Hry (A/m) 490 590 500 
 Hsy (A/m) 2450 4390 2850 
 i 0,75 0,815 0,94 
 Bm (T) 0,89 0,95 1,08 
 (T) 0,891 0,952 1,084 
 Bg (T) 0,485 0,496 0,455 
 ng 2 h iữa hai hư h a 
 Bm (T) Bg (T) 
 AM 0,891 0,952 1,084 0,485 0,496 0,455 
 FM 0,922 0,985 1,068 0,488 0,494 0,452 
 e(%) 3.479 3,466 1,476 0,618 0,403 0,659 
 10 
3.2 Kh o sát nh hư ng của kích thư c nam ch m đến mật độ t th ng 
 kh h kh ng khí 
 m m 
 q . 3 3 
 m ỏ 
 q q 3 4 
 nh 2 h h h i l iệ a a h 
 Lm Bg 
 2,8 mm 0,1407 T 
 11 
 3,8 mm 0,1423 T 
 4,8 mm 0,1424 T 
 3 4 m 2 7 8 7 
 g ỏ 
 m 3 4 
 q q 3 4 
 nh h g hi ha i nh h g hi ha i 
 a h Lm a h m 
3.3 Xác đ nh điều kiện thiết kế đ động c LSPMSM có hệ số cos 1 
3.3.1 Điều kiện đ động c có hệ số cos 1 
 ( ) 
 Id: (3.35) 
 ( ) 
 Iq: (3.36) 
 q ỏ 
 : 
 ( ) 
 { (3.47) 
 √ 
3.3.2 Kết qu kh o sát 
 : P = 550 W, n 
 5 1 22 5 1 24 2 
 6 2 4 ú ắ 2 
  > 90%. q 
 2 q 
 : 
 ng h a 
 Enc) 195,6 V 
 ) 39,9 
 0
 75 C (R1) 12,68  
 ad) 56,14  
 aq) 180,9  
 1) 5,74  
 d) 61,88  
 q) 186,6  
 12 
3.3.2.1 Ki m tra điều kiện cos 1 
 ( ) 
 : ⏟ ⏟ (3.48) 
 N ỏ 
 ⏟ 
 : ⏟√ (3.51) 
 ỏ 
3.3.2.2 Tính giá tr cos 
 0
 T :   = -38,959 
 0 0 0
 : = +  = 39,9 – 38,959 = 0,94 cos = 0,99986 
 q 
3.4 Thuật toán thiết kế chi tiết động c LSPMSM 
3.4.1 Thuật toán thiết kế điện t động c LSPMSM 
 4 : 3 2 ; 
 3 2 ; 3 22 ; 
3.24, 3.25) 
 nh ồ h i h hi h 
 3 2 ; 3 2 ; 3 22; 3 24 
3 25 E I 
 q 
A: , W1, Enc g. 
 13 
B: I1 . 
C: 1 I1. 
 : 1 
 nh 2 h hi a 
 14 
 nh 2 h hi 
nh 22 h hi a h 
 15 
nh 2 h i a 
 16 
 nh 25 h i a i nh 2 h hướ i f 
 h h 
E: 
 : I1  
 1 
H: I 
I: 
J: 
3.5 Kết qu kh o sát thực nghiệm 
 ú ắ - ờ 
2 3 
 q 
 ỏ = 250 
 ọ 
 ỏ 
 – ờ 
 : 
- ờ 
25 - 
 ỏ 
 - q 
- 
 ờ 
- 45 
 ắ ẽ ắ 
 17 
3.5.1 Kết cấu động c thực nghiệm (Tham kh o ph l q ) 
3.5.2 Kết qu thực nghiệm 
3.5.2.2 Sức điện động 
 q ọ E 
q q 5 
 I- 
 Enc) 
 46 2 2 
 (DAI) 46,2 (V) 63,9 (V) 
 (FEM) 45,7 (V) 63,1 (V) 
 9 
 2 26 
  
 ha oscillo: iệ i ha h i ia i 
 nh 2 ill nh 2 h 
 a h h li h iệ – ư 
 q 3 27 
 9 7 
 75 ú 2 
3 35 q ỏ 3 28 
 9 7 
nhô cao 7 
 3 
 ờ ờ 
 ờ 
  
 2 
 ờ ờ 
 2 
 18 
 ha oscillo: iệ i ha h i ia i 
 nh 2 ill nh h a 
 h h li h iệ – ư 
3.5.2.3 Điện áp và ng điện 
 I1) 
 46 2 2 
 I 2,73 (A) 1,43 (A) 
 E 2,8 (A) 1,52 (A) 
 2 5 
 2 5 9 
 2 
  
 ha oscillo: iệ i iệ i h i ia i 
 nh 3.31 iệ iệ ha nh 2 iệ 
 ill iệ ha a h h 
 li h iệ – ư 
  
 ỏ 3 
 2 
 ờ 
 ờ 
 19 
 2 
 ờ ờ 
 Tha ill iệ i iệ i h i ia i 
 nh iệ iệ ha nh iệ 
 ill iệ ha a h h 
 li h iệ – ư 
3.6 Kết luận 
 q ọ 
 ờ ỏ 
 EM q 
 E ờ 
 ỏ EM. 
 ỏ 3 47 . K q 
7 5 ờ E q 
 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU ĐỘNG CƠ LSPMSM 5kW 
4.4 Tối ưu động c LSPMSM 5 kW 
 tiêu: 
 , t , t 
nam châm. 
 q 
 q 7 26 
4.4.1 Nhiệm vụ tối ưu động c LSPMSM 
 3 
q 
 4 7 5 WQUATTRO WEG 
[74]. 
 q 
 sau: Wf 
là c ắ , Lm là 
nam châm, Wm là . L q ọ ú 
q q 
 20 
 g 
 ng h hiệ 
 WQUATTRO 
 0,9262 0,93 
 0,923 0,93 
4.4.2 Kh i tạo kh ng gian tìm kiếm 
 ng 2 h ia i a i i ư 
 Wf (mm) 1 2 
 Lm (mm) 2,5 7,5 
 Wm (mm) 40 77 
4.4.3 Các ràng uộc ng trong chư ng trình 
 ỏ ỏ 
 E 74 
 - m 4,22 
 - i 7,82 
trong q ). 
4.5 X ựng mục tiêu và hàm chi phí t ng 
4.5.1 Mục tiêu về hiệu suất 
 : G1 = 1 + 9(1 - ) 
 :  = min 
  = max 
4.5.2 Mục tiêu về hệ số c ng suất cos 
 2 : G2 = 1 + 9(1 - cos ) 
 : cos = cos min 2 
 cos = cos max 2 
4.5.3 Mục tiêu về th tích nam ch m 
 ờ 2 
 3 : ( ) 
 : Snc = Smin 3 = 1 
 Snc = Smax 577 5 3 = 10 
4.5.4 Hàm chi phí t ng 
 ọ 
 : . V : 1 = (G1 – 1) là 
 , 2 = (G2 – 1) là sai l , 
 2 = (G2 – 1) là . W1, W2, W3 ọ 
 21 
4.6 Kết qu chư ng trình tối ưu 
Sau q 
 ng i i ư h 
 Wf Lm Wm Cost 
 318 1.234mm 2.746mm 65.48mm 0.83757 
 319 1.28mm 2.631mm 66.33mm 0.8366 
 320 1.186mm 2.648mm 65.51mm 0.83609 
 321 1.923mm 2.65mm 74.21mm 0.82746 
 322 1.538mm 3.004mm 66.99mm 0.82598 
 323 1.56mm 2.925mm 64.39mm 0.82571 
 324 1.299mm 2.696mm 71.86mm 0.82062 
 325 1.657mm 2.62mm 73.84mm 0.81275 
 326 1.801mm 2.876mm 66.47mm 0.80984 
 327 1.582mm 2.775mm 66.56mm 0.80806 
 328 1.354mm 2.666mm 68.21mm 0.79472 
 329 1.965mm 2.696mm 72.1mm 0.79082 
 330 1.986mm 2.524mm 73.22mm 0.77591 
 7759 
4.7 Ki m tra lại kết qu tối ưu 
 : f = 1 (mm); Lm = 5 (mm); Wm = 71 (mm) 
 : f = 1,986 (mm); Lm = 2,524 (mm); Wm = 73,22 (mm) 
 9 6 
 ( ) ( ) 
4.7.1 Mật độ t th ng và sức điện động c m ứng 
 nh h h h h nh 5 h h h i i t 
 h h ướ a hi i ư h h h h h a hi i ư 
 nh h iệ ướ a hi i ư 
 53 4 ỏ 
 577 ờ 
 g 
 m 2 524 
 22 
 m 5 8 
 4 2 96 2 ờ 
 ờ 
(Wm 73 22 m 7 ỏ 
 IE4 ỏ 
 ẽ 
 ẽ q ẽ ỏ 
 4 8 
4.7.1 Hiệu n ng quá trình quá độ 
 7 5 
 ờ 
 q 
 2 ờ 22 
32 q ú 
 7 5 
 q ỏ 
 ỏ 
 3 
 ỏ 
 nh .7 h h nh h 
 h i ướ a hi i ư h h i ướ a hi i ư 
 nh h iệ h i ướ a hi i ư 
4.7.2 Hiệu n ng quá trình ác lập 
 ỏ 
 23 
 4 
 7 5 
 nh h iệ l nh iệ hệ 
 ướ a hi i ư cos a hi i ư 
   
 7 5 
 7 5 E 
   
 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
 q 
 : 
1. NC 
2. q 
 Bts = ksmBm ; Btr = krmBm ; ; . V i 
 ; ; ; 
3. 
 ( ) 
 1. { 
 √ 
4. 
5. 7 5 
 IE4 IE 60034-30, trong khi 
 q 2 
 h ng ki n ngh cho nh ng nghiên cứu ti p th o 
1. ú 
 ú 
2. 
3. ờ 
 2 : 
 ờ ỏ 
 24 
 DANH M C CÁC C NG TR NH Đ C NG BỐ C A LUẬN ÁN 
[1] Nguyen Vu Thanh, Bui Dinh Tieu, Pham Hung Phi and Nguyen Thanh Son 
 (2013) An optimal combination of stator slots and rotor pole pairs in designing 
 three-phase permanent magnet synchronous motors. Journal of Science & 
 Technology, 8.2013, pp. 15 – 20. 
[2] Nguyen Vu Thanh, Bui Dinh Tieu, Pham Hung Phi and Nguyen Thanh Son 
 (2014) Computation of Air-Gap Flux Density of Three-Phase Line Start 
 Permanent Magnet Synchronous Motors. Journal of Science & Technology, 
 4.2014, pp. 15 – 20. 
[3] ễ 2 4 X h iề iệ 
 hi ồ a h ĩ h ử h i ự i lưới 
 ỏ 8.2014, pp. 31 – 34, 41.