Đồ án Tìm hiểu động cơ máy điện tốc độ cao

86 trang huongle 1670

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Tìm hiểu động cơ máy điện tốc độ cao", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_tim_hieu_dong_co_may_dien_toc_do_cao.pdf

Nội dung text: Đồ án Tìm hiểu động cơ máy điện tốc độ cao

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 PHẦN MỞ ĐẦU: MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO VÀ TRUYỀN ĐỘNG 2 CHƢƠNG 1: MÁY ĐIỆN TỐC DỘ CAO: CÔNG NGHỆ , XU HƢỚNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN 7 1.1. TÌM HIỂU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO 7 1.1.1. Giới thiệu 7 1.1.2. Tổng quan các ứng dụng 8 1.1.3. Vật liệu 18 1.1.4. Tổng hợp công nghệ máy điện tốc độ cao 25 1.1.5. Thống kê máy tốc độ cao 38 CHƢƠNG 2.MỘT CẤU TRÚC MỚI CHO ỨNG DỤNG MÁY CỠ NHỎ TỐC ĐỘ CAO 41 2.1. GIỚI THIỆU 41 2.2. MÁY STATOR NẰM NGANG 44 A. Mô tả Khái niệm 44 2.3 MÔ HÌNH VÀ TỐI ƢU HOÁ 47 2.4 THIẾT KẾ BÀN THỬ NGHIỆM 54 2.5. KẾT QUẢ ĐO 60 2.5 KẾT LUẬN 64 CHƢƠNG 3.ỨNG DỤNG MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ NHƢNG THỎA HIỆP 66 3.1 KHÁI NIỆM 66 3.2 ỨNG DỤNG TRỤC ĐIỆN 69 3.3 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 71 3.3.1. Khía cạnh về điện 71 3.3.2. Khía cạnh cơ khí 75 PHỤ LỤC 83 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay công nghệ ngày càng phát triển , xu huớng nghiên cứu và phát triển các loại máy điện có những tính năng mới đêm lại hiếu suất cao ơn trong sản xuất.Máy điện tốc độ cao là một trong những sáng kiên đó. Máy điệntốc độ cao và điều khiển đang trong quá trình phát triển cho một số ứng dụng kỹ thuật nhƣ máy mai, hệ thống tua-bin kep ,động cơ ô tô Trong đợt tốt nghiệp này em đƣợc thầy giáo GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn hƣớng dẫn em “Tìm hiểu động cơ máy điện tốc độ cao” Đề bài bao gồm 3 chƣơng : Chƣơng 1: Máy điện tốc độ cao Chƣơng 2: Máy cỡ nhỏ tốc độ cao Chƣơng 3: Ứng dụng máy điẹn tốc độ cao Để hoàn thành tốt đƣợc đồ án, em đã đƣợc sự giúp đỡ rất nhiều của bộ môn điện công nghiêp tự động hóa và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo GS.TSKH.Thân Ngọc Hoàn. Sau mƣời hai tuần làm đồ án em đã hiểu biết thêm đuợc nhƣng kiên thức máy điện và những ứng dụng máy điện trong thực tế Đó là những kinh nghiệm quý báu giúp em vững tin hơn trong công việc sau này. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhƣng đề tài của em vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất mong đƣợc sự chỉ bảo của các thầy. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, Ngày 22 tháng 6 năm 2014 Sinh viên: 1
PHẦN MỞ ĐẦU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO VÀ TRUYỀN ĐỘNG Việc sử dụng các máy điện tốc độ cao và điều khiển đang trong quá trình phát triển cho một số ứng dụng kỹ thuật , bao gồm trục điện của dao phay và máymài ,hệ thống tăng áp , hệ thống điện turbo- kép , máy nén gió, máy bay trực thăng, động cơ xe đua , và máy bơm nhiên liệu . Các ứng dụng có tốc độ cao với hơn 10 000 vòng / phút , số vòng/phút và kW lớn hơn 105. Các ứng dụng với tốc độ tối đa lên đến 150 000-200 000 vòng/phút bây giờ đang đƣợc nghiên cứu và đã sẵn sàng cho những thử nghiệm đầu tiên. Mối quan tâm về khoa học và công nghiệp trong chủ đề này đang phát triển rất nhanh , những công bố nghiên cứu nhằm cải tiến công nghệ với tác động đáng kể trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Một trong những ƣu điểm chính của máy điện tốc độ cao và truyền động điện là giảm trọng lƣợng hệ thống với sựbiến đổi năng lƣợng cho trƣớc. Điều này rất cần thiết trong tất cả các ứng dụng giao thông vận tải vì giảm trọng lƣợng kết quả trực tiếp giảm tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Hệ thống giao thông vận tải điện là một trong những chủ đề chính có ý nghĩa quan trọng cho việc thúc đẩy công nghệ tốc độ cao . Lý do thứ hai để áp dụng máy điện tốc độ cao trong các ứng dụng là cải thiện độ tin cậy do việc loại bỏ các bánh răng trung gian , chẳng hạn nhƣ truyền động điện tốc độ cao . Trong bài báo này ,một tổng quan các công nghệ hiện tại đƣợc sử dụng trong máy điện tốc độ cao đƣợc thảo luận thông qua một cuộc khảo sát rộng rãi,phát triển từ các công nghệ khác nhau và đƣợc sự quan tâm trong các ngành công nghiệp và các viện nghiên cứu . Ngoài ra, các báo cáo cũng đề cập đến sự phát triển của vật liệu và các thành phần chứa thép kỹ thuật điện, hợp kim đồng. 18 bài báo khác cũng đƣợc chấp nhận đã đƣợc nhóm lại trong một loạt bài theo chủ đề chính của họ 2
Phần đầu tiên liên quan đến việc trình bày các cấu trúc động cơ mới. Trong thực tế, để đảm bảo yêu cầu của tải, các ứng dụng máy điện tốc độ cao thƣờng đòi hỏi cấu trúc điện từ có tính chất đổi mới, và ba bài báo trình bày theo 1 hƣớng đi mới và máy điện với cấu trúc mới. Bài báo đầu tiên , của Tüysüzet al. , trình bày một sơ đồ cấu trúc mới của động cơ với một stato ngang rất hữu ích cho các ứng dụng khoan vì ở đó đầu mũi khoanbị giới hạn không gian làm việc [2] . Stator của động cơ tăng theo một hƣớng ngang cho phép thiết kế một bộ truyền động trực tiếp . Bài báo thứ hai , do Ikäheimoet al. đã đề xuất một máy điện từ kháng đồng bộ mới có cấu trúc cơ khí bền vững [3] .Thiết kế rotor hai cực kết hợp đặc tính từ thông mềm trong một khối vật liệu không có từ tính . Bài báo thứ ba , bởi Gaussens et al. , thực hiện với một sơ đồ cấu trúc mới của một máy kích từ lai với cuộn kích từ đặt trong các khe stator hoặc trong các cuộn dây dc bên trong [4] Máy điện và truyền đông điện tốc độ cao đang đƣợc mở rộng lĩnh vực ứng dụng, ở đó các hệ truyền động điện trực tiếp đƣợc áp dụng thay cho các bộ truyền động điện truyền thống tốc độ thấp hơn đƣợc kết nối với bánh răng cơ khí. Kết quả là , để hiểu rõ hơn những đặc tính yêu cầu ứng dụng mới ngƣời ta đã giới thiệu những lĩnh vực ứng dụng cách tân khi phát triển truyền động với động cơ tốc độ lớn. Vì lý do này , phần thứ hai sẽ trình bày với bốn ứng dụng thú vị của máy điện và truyền động tốc độ cao . Bài báo đầu tiên , Silberet al. ,trình bày một truyền điện tốc độ cao với hệ thống treo không ma sát cho các ứng dụng dệt may [5] .Đơn vị rotor quay mới là một công nghệ dệt cách tân có khả năng đem lại năng suất cao hơn và giảm điện năng tiêu thụ và giảm tích bụi . Bài báo thứ hai , bởi Crescimbiniet al. , Thảo luận về một giải pháp cho việc phát triển truyền động điện gắn trự tiếp đƣợc sử dụng kết hợp với một tua bin giãn nở huớng tâm để phục hồi năng lƣợng khí thải dùng trong [6] Các máy điện và truyền động tốc độ cao đóng một vai trò quan trọng 3
trong các ứng dụng ô tô . Bài báo thứ ba , bởi Abrahamssonet al. , Là trên cùng một chủ đề [7] . Bài viết này liên quan đến việc thiết kế và tối ƣu hóa hệ thống lƣu trữ động năng 30 000 vòng/phút . Thiết bị này đƣợc sử dụng nhƣ một bộ tích lũy năng lƣợng đệm lên tới 870 Wh ,ở các xe trong đô thị. Bài báo thứ tƣ , bởi Tenconiet al. , Liên quan đến máy điện tốc độ cao đƣợc sử dụng trong khoan điện [8] . Bài viết tổng kết và thảo luận về các khía cạnh điện và cơ khí liên quan đến việc thiết kế máy tốc độ cao, làm nổi bật những vấn đề chính và cân bằng mà các nhà thiết kế phải xem xét. Mối tƣơng quan giữa giảm thể tích và tăng tốc độ, dựa trên đơn vị rotor - stator tần số cao thƣơng mại , cũng đƣợc thảo luận. Thiết kế máy điện tốc độ cao là một thách thức từ các quan điểm điện và cơ khí cần đƣợc xem xét. Tần số điện áp cung cấp cau dẫn đến sự gia tăng của tổn thất sắt trong lá thép mỏng stator và tổn thất thêm trong cuộn dâydo hiện tƣợng đẩy điện tích ra phía ngoài dây dẫn. Vì những lý do trƣớc đó, nhóm thứ ba sáu bài báo liên quan đến việc thiết kế điện từ của máy điện tốc độ cao . Bài báo đầu tiên , bởi Liệt al. , Thảo luận về việc sử dụng một ro to hình tay áo và ảnh hƣởng của nó lên các đặc tính điện từ [9] . Phân tích đƣợc thực hiện trên một máy phát điện nam châm vĩnh cửu siêu tốc độ. Báo cáo thứ hai , bởi Gonzales và Saban , nghiên cứu sự tổn hao đồng trong máy điện nam châm vĩnh cửu tốc độ cao 5 MW đƣợc thiết kế với hình thức cuộn dây quấn [10] . Đặc biệt , tác động của cấu trúc rãnh về hiệu ứng lân cận đƣợc phân tích , xem xét các khe mở và rãnh nửa kín . Bài báo thứ ba , bởi Dems và Komeza , phân tích việc sử dụng lá thép mỏng vô định hình trên động cơ không đồng bộ nhỏ stator đc cấp với nguồn tần số cao [11] . Bài báo thứ tƣ , bởi Liệt al. , Trình bày một máy phát điện nam châm vĩnh cửu siêu tốc có một vòng hợp kim phía mặt ngoài rotor [12] Vòng hợp kim đƣợc sử dụng để cố định các nam châm vĩnh cửu và bảo vệ chúng khỏi ảnh hƣởng tác động bởi lực ly tâm lớn vàdo tổn hao dòng điện 4
xoáy bên trong vòng hợp kim của roto sinh ra, làm tăng nhiệt độ máy . Bài báo thứ năm, bởi van der Geestet al. , Trao đổi về một phƣơng pháp đơn giản và linh hoạt để ƣớc tính tham số kí sinh của stator, chẳng hạn nhƣ hiệu ứng mặt ngoài và do hiệu ứng gần nên xuất hiện sự phân bố không đồng đều của dòng điện trên các nhánh và bổ sung thêm thành phần dòng điện tuần hoàn [ 13 ] . Bài báo cuối cùng của phần này, bởi Papini et al. , nói về thiết kế một động cơ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao đƣợc sử dụng để trong hoạt độngv dung sai [14] . Một tiếp cận đa ngành để để thiết kế tối ƣu đƣợc chấp nhận khi giảm thiểu các tổn hao phụ do thao làm việc trong điều kiện không phù hợpvà tính toán cho chiến lƣợc điều khiển phục hồi Xem xét trên khía cạnh cơ học, tốc độ quay lớn sẽ ảnh hƣởng đến ứng suất cơ học do tốc độ ngoại vi và trục quay. Kết quả là , phần thứ tƣ đƣợc viết dựa trên hai bài báo liên quan đến vấn đề cơ khí và vấn đề trục quay trong máy điện tốc độ cao . Trƣớc đây, đƣợc viết bởi Boissonet al. , Trình bày một phƣơng pháp phân tích để xác định tần số riêng của stator trong máy điện [15] . Mô hình này dựa trên các tính toán và giảm thiểu tỉ số của Rayleigh và việc sử dụng mô hình động học của Timoshenko . Mới đây nhất Looser và Kolar , đã đề ra một ổ bi lai sử dụng khí động hocjkhis để nâng hỗ trợ tải, điều đó là một quan điểm dùng nam châm tích cực kích thƣớc nhỏ dập từ trƣơng. Các giải pháp đề xuất sử dụng ổ đỡ hoạt động ổn định với ổ đỡ khí với nhôm là phức tạp them và giá tả tăng Tốc độ quay cao , và hệ quả việc cung cấp tần số lớn sẽ làm phức tạp thêm vấn đề điều khiển cho chính xác máy điện. Bộ Điều khiển thông minh đòi hỏi đo lƣờng chính xác dòng điện của stator,vị trí và tốc độ của rotor, và những tín hiệu này phải đƣợc xây dựng bởi phần cứng tốc độ cao ( xử lý tín hiệu kỹ thuật số, các ma trận tín hiệu điều khiển có khả năng lập trìn , vi điều khiển , vv) có thể đạt đƣợc yêu cầu băng thông cao . Để hiển thị các giải pháp có thể , phần cuối cùng của mục đặc biệt bao gồm ba bài báo trên các phần 5
cứng tốc độ cao và liên quan tới chiến lƣợc điều khiển. Bài báo đầu tiên , bởi Mar Ceti ' cet al. , Trình bày hiệu suất của một truyền động tốc đọ cao trụckhông cảm biến với tần số cắt mẫu cơ bản chậm.Báo cáo thứ hai , bởi Hasanzadehet al. , Trình bày một phần cứng trong nhiều nền tảng trong vòng kín để quan sát hoạt động của một máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tốc độ cao gắn với một Microturbine trong một hệ thống điện điện tàu thủy. Baì báo thứ ba đƣợc viết bởi Mitterhoferet al. , đề cập với khả năng tốc độ cao của truyền động không ổ đỡ khi thảo luận về truyền động một đĩa không ổ đỡ đƣợc thiets kế dể đạt tốc độ cỡ 100 000 r / min. Trong bài báo, những yêu cầu về các đặc tính cơ học và c hệ thống điều khiển cần thiết cho hoạt động tốc độ cao cũng đƣợc mô tả 6
CHƢƠNG 1 MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO: CÔNG NGHỆ , XU HƢỚNG VÀ SỰ PHÁT TRIỂN 1.1. TÌM HIỂU MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO 1.1.1.Giới thiệu Máy cơ khí có Tốc độ quay cao đã đƣợc phát triển và đƣợc sử dụng trong một thời gian dài , hiện nay nó đƣợc tìm hiểu 1 cách kỹ luỡng và đuợc coi là công nghệ đáng tin cậy đối với một số ứng dụng kỹ thuật . Các ứng dụng này bao gồmmáy nén kiểu tuabin, hệ thống cơ khí tuabin- kép, van trƣợt máy nén gió , động cơ máy bay trực thăng , động cơ xe đua , và máy bơm nhiên liệu với tốc độ làm việcvới hơn 10 000 vòng / phút và số vòng/phút và kW lớn hơn 10 mũ 5 [1] Sự nghiên cứu và cải tiến kỹ thuật theo huớng điều khiển ở máy điện tốc độ cao đã có một sự phát triển nhanh chóng trong vài thập kỷ qua , cùng với một số lƣợng lớn các ứng dụng trong thập kỷ qua . Nó cũng đƣợc nhận định lĩnh vực nghiên cứu này sẽ chiếm ƣu thế trong nghiên cứu về truyền động điện, một phần là do sự tiến bộ hiện nay trong lĩnh vực công nghệ và một phần là do tác động đáng kể sự phát triển của các máy này sẽ đuợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực. Điều này cũng đƣợc phản ánh qua số lƣợng lớn các chƣơng trình nghiên cứu đƣợc tài trợ trong nƣớc và quốc tế. Bài báo đầu tiên sẽ khái quát về một số lĩnh vực ứng dụng máy điện tốc độ cao, và các kết luận lợi ích của hệ thông sẽ sáng giá nhất. Một ƣu điểm rõ rệt của máy tốc độ cao là sự giảm bớt trọng lƣợng của hệ thống đem lại một tầm ảnh hƣởng nhất định cho bộ chuyển đổi năng lƣợng Điều này đặc biệt có ích trong các ứng dụng điện thoại di động , nơi mà bất kỳ sự tiết kiệm trọng lƣợng nào cũng đem lại kết quả trực tiếp trong việc giảm tiêu thụ nhiên liệu và bức xạ. Xu hƣớng hệ thống điện giao thông trong 7
tƣơng lai cũng tạo ra sức hút đáng kể để thúc đẩy công nghệ tốc độ cao .Ngƣời ta thấy một lợi ích trong việc chấp nhận máy điện tốc độ cao ở một số ứng dụng nhất định đã cải thiện tính ổn định của hệ thông khi loại bỏ các bánh răng trung gian mà truyền động trực tiếp. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này cũng đƣợc thúc đẩy bởi sự phát triển của các bộ chuyển mạch điện tử công suất , cấ trúc bộ chuyển đổi , và các phƣơng pháp điều khiển để vận hành máy điện có tần số làm việc cao hơn. Đây là sự kết hợp với sự phát triển các phần mềm và vật liệu phần cứng , đã tạo khả năng điều độ bền ứng suất cơ học cao hơn trong khi tổn thất dòng ac thấp, vận tốc ngoại vi của roto cao hơn và mật độ năng lƣợng cao hơn. Sau khi xem xét các ứng dụng của máy điện tốc độ cao trong nhiều lĩnh vực, bài viết này sẽ làm nổi bật những tiến bộ quan trọng gần đây trong công nghệ vật liệu liên quan đến máy tốc độ cao . Khi đó , sơ đồ cấu trúc khác của máy điện từ tài liệu cũng sẽ đƣợc xem xét và so sánh về khả năng tốc độ cao và đặc tính thực hiện. 1.1.2. Tổng quan các ứng dụng Trong một số ứng dụng , máy điện tốc độ cao trực tiếp thay thế hệ thống cơ khí tốc độ cao hiện tại , trong khi các ứng dụng khác , máy điện tốc độ cao sẽ bổ xung cho hệ thống cơ khí tốc độ cao hiện có. Phần này cho ta một cái nhìn tổng quan của các hệ truyền động bên cạnh là sự phát triển này cho một giải quang phổ loạt các ứng dụng . Danh sách chƣa đầy đủ nhƣng đã khái quát đƣợc các ứng dụng này kéo theo đối với công nghệ máy điện tốc độ cao. A. Máy điện tốc độ cao cho máy nhiều điện hơn Quan điểm về máy kéo có hiệu suất cao đƣợc tích hợp trong hệ thống truyền động kéo lai nhằm nâng cao hiệu suất nhiên liệu và giảm lƣợng khí thải bây giờ đang độc tôn trong ô tô. Sự tăng tiêu chuẩn giảm khí thải nghiêm ngặt và các yêu cầu hiệu suất nhiên liệu sẽ đẩy mạnh điện khí hóa cho các máy móc sử dụng trong ô to và các ứng dụng tron tạo năng lƣợng về cơ bản 8
sử dụngcác máy điện tốc độ cao. Các ứng dụng tiềm năng của máy điện tốc độ cao trong các máy điện nhiều hơn là hàng loạt nhƣ ở hình . 1 trong đó đƣa ra một tổ hợp bốn máy điện tốc độ cao có thế đặt xung quanh một động cơ tƣơng lai. Hình 1.1. Máyđiện tốc độ cao cho máy nhiềuđiện hơn Trong một ứng dụng nhƣ vậy, máy điện đƣợc đặt trên trục chính giống nhƣ tua bin và máy nén khí trong một turbo tăng áp ( máy M1 trong hình . 1) . Chức năng của máy là gấp đôi. Khi khởi động và sang số(thay đổi tốc độ), khi mà thiếu năng lƣợng trong dòng khí thải , máy đƣợc sử dụng nhƣ một động cơ để tăng tốc độ máy nén tới tốc độ cần thiết, do đó giảm sự chậm trễ của turbinvà cải thiện khả năng truyền động . Khi động cơ tải lớn , có năng lƣợng dƣ thừa trong ống xả, thay vì mở một van thải để chống vƣợt tốc cho trục , máy điện đƣợc sử dụng nhƣ một máy phát điện . Việc tích hợp điển hình máy điện với một máy nén kiểu tuabin đƣợc thể hiện trong hình 2 9
Hình 1.2.Máy điện với một máy nén kiểu tuabin Hiệu quả đƣờng truyền có thể đƣợc cải thiện hơn nữa bằng cách bổ sung thêm một tua-bin năng lƣợng và một máy tốc độ cao ( máy M2 trong hình . 1) ở phía hạ lƣu của máy nén kiểu tuabin đã tách nhiệt từ cửa xả khí , nó thƣờng đƣợc gọi là tuabin hỗn hợp . Năng lƣợng khôi phucjlucs này đƣợc sử dụng để cấp cho tải điện, bao gồm cả máy kéo nếu đƣợc sử dụng cho cấu trúc truyền động lai. , Trong động cơ đốt trong , hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) đƣợc sử dụng để giảm lƣợng khí thải NOx bằng cách đƣa một số loại khí thải trở lại thông qua dòng không khí hút. Trong động cơ nơi có áp suất ngƣợc của khí thải lớn hơn áp suất không khí nạp ,sẽ tồn tại 1 áp suất âm chênh lệch ở lối ra do đó : hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR) có thể đƣợc thực hiện bằng cách kết nối đơn giản một đƣờng ống nối giữa ống xả và ống hút . Tuy nhiên , trong mỗi động cơ có sự thay đỏi lƣu lƣợng , thì sự chênh lệch áp suất bất lợi phải đƣợc khắc phục [2] . Một cách có hiệu quả khắc phục những vấn đề nêu trên bằng cách đƣa vào một máy nén EGR ở thƣợng nguồn của tuabin , nó sẽ đƣợc truyền động bởi một động cơ tốc độ cao ( máy M3 trong hình . 1) . Điều 10
này làm giảm đáng kể năng lƣợng bơm cần thiết so với các hệ thống tuần hoàn khí thải thông thƣờng trong đó khí thải đƣợc rút ra ở hạ lƣu của tuabin. Để Cải thiện hiệu suất năng lƣợng nhiên liệu tốt hơn có thể làm đƣợc bằng cách thu hồi năng lƣợng nhiệt thải ra từ toàn bộ động cơ , chứ không phải chỉ từ các dòng khí thải. Điều này đƣợc thực hiện thông qua Organic Rankine Cycle , nhờ đó nhiệt đƣợc phục hồi bằng cách cho chất lỏng làm việc tuần hoàn sau đó đƣợc sử dụng để chạy tua bin tốc độ cao và một máy phát điện. Mức độ cải thiện hiệu suất nhiên liệu hơn 12 % đã đƣợc chứng minh [3] . Hình 3 cho thấy một động cơ đƣợc đề xuất bởi Cummins . Phạm vi tốc độ cho máy điện phát triển cho các ứng dụng động cơ là rất rộng , từ 2 kW/220 000 vòng / phút cho một ứng dụng xe du lịch [41] lên đến 150 kW/35 000 vòng / phút cho một thế hệ động cơ năng lƣợng sơ cấp. Hình 1.3.Máy điện cải thiên hiệu suất năng lƣợng B.Hệ thống Bánh đà tích năng lƣợng Hệ thống Bánh đà tích năng lƣợng hoạt động bằng trữ năng lƣợng cơ học trong một bánh đà quay. Năng lƣợng điện đƣợc lƣu trữ bằng cách sử dụng một động cơ quay bánh đà , do đó chuyển điện năng thành cơ năng. Để phục hồi năng lƣợng , động cơ tƣơng tự đƣợc sử dụng để làm chậm bánh đà xuống, 11
chuyển đổi năng lƣợng cơ học thành năng lƣợng điện trở lại . Bánh đà truyền thống đc thiết kế có đƣờng kính lớn , xoay từ từ và có công suất và mật độ năng lƣợng thấp . Bánh đà hiện đại đƣợc thiết kế để quay ở tốc độ cao hơn. Bánh đà nhƣ vậy đạt đƣợc mật độ năng lƣợng cao hơn so với pin NiMH thƣờng đƣợc sử dụng trong xe lai , mặc dù có mật độ năng lƣợng thấp hơn. Cho các ứng dụng dự trữ năng lƣợng đòi hỏi phải có đầu ra công suất cao trong một khoảng thời gian ngắn (ví dụ năng lƣợng thấp) , nhƣ là trƣờng hợp công suất phụ xe điện lai, hệ thống lƣu trữ bánh đà tốc độ cao đem lại 1 vài ƣu điểm so với công nghệ pin nhƣ một giải pháp nhỏ gọn hơn, hiệu quả cao hơn , tuổi thọ dài hơn và nhiệt độ hoạt động rộng hơn [68] hình . 4 cho thấy một bánh đà đề xuất bởi Williams Hybrid Power , đƣợc sử dụng trong Porsche911 GT3R . Bánh đà này quay 40 000 vòng / phút và đƣợc sử dụng để phát ra hoặc tiêu thụ công suất lên đến 120 kW với động cơ trục phía trƣớc. Hình 1.4.Hệ thống lƣu trữ bánh đà tốc độ cao C . Ứng dụng cho máy làm suốt tốc độ cao Ngành công nghiệp máy công cụ cũng đã thúc đẩy sự phát triển của máy điện tốc độ cao . Trục máy làm suốt tốc độ cao thông thƣờng có chi phí thấp sử dụng truyền động bằng đai, có giới hạn tốc độ tối đa. Nhu cầu gia tăng tốc độ quay cao hơn , điều khiển tốc độ , độ rung thấp , và mật độ năng lƣợng ( do thiếu không gian ) đã dẫn đến sử dụng máy điện tốc độ cao cho các ứng 12
dụng máy làm suôt. Dải công suất và tốc độ giới hạn trong các ứng dụng ở máy làm suốt lan rộng ra, thay đổi 9000-180 000 vòng / phút , với một mức năng lƣợng tƣơng ứng khoảng từ 24 xuống 1 kW . Theo báo cáo trong Bảng I , tốc độ quay tối đa đạt đƣợc trong các ứng dụng khác nhau phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo . Các ứng dụng mài giũa, nhiều máy tốc độ quay cao hơn điển hình đƣợc báo cáo trong Bảng I , các ứng dụng máy có độ chính xác lớn có thể đạt tốc độ lên đến hàng trăm ngàn vòng mỗi phút, chẳng hạn nhƣ phạm vi kích cỡ trung bình và tốc độ trung bình của hệ thống truyền động [4] . Hình 5 cho thấy một máy nhƣ vậy, đƣợc phát triển bởi Westwind Air Bearings , với tốc độ 300 000 vòng/phút đƣợc sử dụng trong bảng mạch in (PCB) cọc khoan . Hình 1.5. tốc độ 300 000 vòng/phút trong (PCB) cọc khoan D . Bơm phân tử tuabin Bơm phân tử tuabin là một ứng dụng có tốc độ ngày càng tăng và đuợc sử dụng bởi các động cơ tốc độ rất cao và có thể đƣợc coi là một sự lựa chọn phù hợp . Hiện nay, tốc độ quay lên đến 100 000 vòng/phút ở mức năng lƣợng thấp ( vài trăm watt) là những mục tiêu tƣơng lai cho ứng dụng này . Các Bơm phân tử tuabin đƣợc dùng để nhận đƣợc và duy trì một độ chân không cao . Các máy bơm làm việc theo nguyên tắc là phân tử khí có thể đƣợc cấp một xung lực theo một hƣớng mong muốn bởi sự va đập lặp đi lặp 13
lại với sự di chuyển một bề mặt vật rắn. Trong một máy bơm kiểu tuabin,rotor tuabin quay nhanh chóng đánh các phân tử khí từ đầu vào của bơm về phía ống xả để tạo ra hoặc duy trì chân không. Một mặt cắt ngang của một máy bơm kiểu tuabin truyền động bởi một động cơ tốc độ cao đƣợc thể hiện trong hình 6 . Các máy bơm đƣợc sử dụng để có đƣợc một điều kiện chân không rất cao lên đến 10 -10 mbar . Loại tải này yêu cầu đặc tính của động cơ khi cần có một thiết kế phức tạp , khác xa các tiêu chuẩn thiết kế cổ điển đƣợc sử dụng cho các động cơ tiêu chuẩn . Đặc biệt , các roto chạy trong môi trƣờng chân không sâu , với các vấn đề trao đổi nhiệt rất lớn [ 69 ] . Trong thực tế, tản nhiệt chỉ có thể đƣợc thực hiện bằng bức xạ. Quán tính của động cơ đốt trong trên quán tính tổng càng thấp càng tốt để đơn giản hóa quá trình cân bằng của những phần quay . Gợn sóng momen quay có thể rất thấp để làm giảm nguy cơ cộng hƣởng cơ học trong hệ thống quay. Hình 1.6. Máy bơm kiểu tuabin truyền động bởi một động cơ tốc độ cao E . Ứng dụng máy nén khí Máy nén khí cần thiết ở nhiều nơi trong các ngành hóa chất, dầu , và các ngành công nghiệp khí đốt , chủ yếu là để truyền và xử lý khí ở đầu ra. Động cơ và tuabin ga thông thƣờng đƣợc dùng truyền động cho máy nén khí . Trong khi truyền động đƣợc khí đốt sẽ có lợi cho các công ty gas , họ đang gặp nhiều khó khăn trong việc lắp đặt do môi trƣờng hạn chế. Ý tƣởng sử dụng động cơ điện để truyền động máy nén nhằm giảm thiểu các vấn đề môi trƣờng , quản lý và bảo trì không phải là mới nhƣng tiến bộ trong lĩnh vực 14
của máy điện tốc độ cao đã làm cho nó lôi cuốn hơn. Máy nén không cần dầu đã đƣợc sử dụng thành công trong nhiều năm, nhƣng khi nào vần cần một hệ thống dầu bôi trơn cho các truyền động hoặc ổ bi, thì những lợi ích của máy nén không cần dầu chƣa thể khai thác hết Truyền động điện tốc độ cao với gối đỡ từ(góc phƣơng vị từ) cho phép loại bỏ các bộ dẫn động và hệ thống dầu bôi trơn, dẫn đến gia tăng an toàn , nâng cao hiệu quả , tính khả dụng tăng lên, và giảm chi phí vận hành bảo dƣỡng. Do đó , các truyền động điện tốc độ cao là các truyền động máy nén thân thiện với môi trƣờng nhất [5] .Bản thiết kế và rotor của máy điện cảm ứng (máy điện ko đồng bộ) 10 MW 20000-vòng/phút (IM) đƣợc đề xuất bởi Converteam (nay là GE Energy ) , và đƣợc dùng trong một ứng dụng nhƣ vậy đƣợc thể hiện trong hình . 7 và 8 , tƣơng ứng . Hình 1.7. (bên trái) Máy nén kiểu thông thƣờng và (bên phải) máy nén không cần dầu Hình 1.8. Máy điện cảm ứng (máy điện ko đồng bộ) 10 MW 20000- vòng/phút 15
F. Máy nén khí công nghiệp và Quạt gió Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, có một nhu cầu ngày càng tăng về chất lƣợng cao hơn và khí nén không dầu. Trong ngành công nghiệp thực phẩm và nƣớc giải khát, cũng nhƣ trong ngành công nghiệp dƣợc phẩm, bất kỳ ô nhiễm dầu nào cũng có thể dẫn đến sản phẩm không an toàn và nguy hiểm sức khỏe ngƣời tiêu dùng. Trong ngành công nghiệp ô tô , không khí không dầu là điều cần thiết để đạt đƣợc một kết thúc chất lƣợng cao. Trong ngành công nghiệp điện tử, độ ẩm có thể ảnh hƣởng đến quy trình kỹ thuật nhạy cảm và gây nên quá trình oxy hóa của dải microterminal , dẫn đến thất bại của sản phẩm. Trong tất cả các ngành công nghiệp nói trên, bất kỳ ô nhiễm dầu nào cũng có thể dẫn đến việc thu hồi sản phẩm và phá sản nhà máy . Máy điện tốc độ cao hoạt động ở mức công suất của 100-500 mã lực và tốc độ 80-15 000 vòng / phút , sử dụng oorrdowx từ hoặc ổ đỡ không khí, đang đƣợc sử dụng trong thế hệ mới nhất Class- 0 " ko dầu " Máy nén công nghiệp truyền động trực tiếp , trong khoảng 4-9 Bar Trong các nhà máy xử lý nƣớc thải , phần lớn các nhu cầu năng lƣợng , trên 60% , là cần thiết cho việc cung cấp khí để cung cấp oxy cho xử lý sinh học của dòng chất thải và pha trộn với các chất rắn. Máy nén thông thƣờng chạy với tần số biến đổi hoặc máy nén ly tâm nối qua hộp số với van vào và van thải đc dung cho khí nuớc thải. Thập kỷ qua đã chứng kiến một sự tăng trƣởng nhanh chóng trong việc điều khiển máy quạt kiểu tua bin bằng động cơ tốc độ cao , có độ tin cậy cao và độ bền cao, giảm tiếng ồn , giảm 25% điện áp và quan trọng hơn đã tiết kiệm năng lƣợng vƣợt quá 35% [ 70 ] đối với quạt gió thông thƣờng G . Tuabin cỡ nhỏ Tuabin cỡ nhỏ là tuabin dùng khí đốt cỡ nhỏ có kích thƣớc tƣơng đƣơng với một máy lạnh và với đầu công suất ra 30-400 kW . Chúng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng tạo năng lƣợng cố định tại các địa điểm với không 16
gian bị hạn chế cho sản xuất điện . Nó là những cỗ máy nhiên liệu linh hoạt có thể chạy trên khí thiên nhiên, khí sinh học, propan(CH3CH2CH3), butan(hóa dầu) , dầu diesel, dầu hỏa . Tuabin nhỏ có ít bộ phận chuyển động , hiệu quả cao , lƣợng khí thải thấp , và có thể sử dụng nhiệt thải. Nó cũng có trọng lƣợng nhẹ và kích thƣớc nhỏ gọn.Sự thu hồi nhiệt tổn hao có thể đƣợc sử dụng trong tổ hợp nhiệt và năng lƣợng (CHPS) để đạt đƣợc mức hiệu suất năng lƣợng lớn hơn 80% [6] Hình 1.9. Hệ thống tuabin khí cỡ nhỏ Hình1.9. cho thấy cách bố trí điển hình của một tuabin khí cỡ nhỏ . Nó bao gồm một máy nén , một buồng đốt , tuabin , máy dao điện, một thu hồi nhiệt (tùy chọn) , và một máy phát điện . Trong hệ thống làm nóng sơ bộ , khí nén nóng đƣợc trộn với nhiên liệu và đốt cháy trong điều kiện áp suất không đổi . Kết quả cuối cùng của khí nóng là đƣợc nở ra thông qua một tuabin để thực hiện công việc . Tuabin cỡ nhỏ chu kỳ đơn có chi phí thấp hơn , độ tin cậy cao hơn, và bộ phận đốt cháy có sẵn cho các ứng dụng CHP hơn là làm nóng sơ bộ. Bộ thiết bị phục hồi sử dụng một bộ trao đổi nhiệt bằng tấm kim loại, thiết bị này phục hồi 1 lƣợng nhiệt từ dòng thải, và chuyển nó cho dòng không khí cấp vào. Không khí đƣợc đôta nóng sơ bộ đƣợc sử dùng trong quá trình đốt cháy . Nếu không khí đƣợc làm nóng trƣớc, sẽ mất ít nhiên 17
liệu để tăng nhiệt độ của nó đến mức cần thiết ở đầu vào tua-bin. Làm nóng sơ bộ có hiệu quả cao hơn và tỷ lệ nhiệt và điện cao hơn, và tiết kiệm 30% - 40% nhiên liệu từ sấy sơ bộ [6] Gần đây, có sự quan tâm xem xét lại về việc sử dụng tuabin cỡ nhỏ để mở rộng phạm vi trong dòng xe lai, cũng nhƣ tất cả các xe điện, nhƣ bộ nguồn có thể sạc pin của xe. Hình1.10 cho thấy phút Tua bin cỡ nhỏ đề xuất bởi Bladon có 50 - kW 80 000-vong/. Ngƣời ta nói rằng một công nghệ nhƣ vậy có thể giảm chỉ 5 % kích thƣớc , trọng lƣợng, và các bộ phận của động cơ piston tƣơng đƣơng [7] . Hình 1.10.Tuabin cỡ nhỏ 50-kW 80000 vòng/phút 1.1.3.Vật liệu Phần này cung cấp một tổng quan về vật liệu phù hợp cho các máy điện tốc độ cao, bao gồm cả thép kỹ thuật điện, hợp kim đồng và nam châm . Nó cũng chỉ ra những phát triển chính là chìa khóa trong việc thúc đẩy các giới hạn hoạt động máy điện tốc độ cao A. Thép điện Cho stator và rotor là là thép mỏng , khác nhau giữa hợp kim sắt sillic( SIFE ) và hợp kim sắt coban ( CoFe ) đã đƣợc nghiên cứu .CoFe đảm bảo bão hòa cao nhất trên 2 T , do đó cho phép mật độ năng lƣợng cao nhất có thể đạt đƣợc . Giá trị thực tế của bão hòa từ hóa cho CoFe phụ thuộc vào nhiệt độ ủ , 18
thời gian ủ , và không khí ủ ; nói chung các đặc trƣng cơ học của vật liệu ủ là tốt hơn, có độ bão hoà từ thấp hơn. Tuy nhiên, ngay cả khi ủ đến đặc tính cơ học tối ƣu, bão hòa từ của CoFe vẫn cao hơn SIFE ( cao hơn khoảng 20% ). Mặc dù CoFe đắt hơn đáng kể so với lá mỏng SIFE , nó thƣờng đƣợc cân nhắc cho máy tốc độ cao nhƣ khối lƣợng nguyên liệu cho mỗi kilowatt là rất nhỏ và không có ý nghĩa lắm ở mức hệ thống Một tham số quan trọng khác khi lựa chọn vật liệu là thép mỏng dùng cho máy tốc độ cao là đại lựơng tổn hao sinh ra trong cán thép do tần số cơ bản và tần số đóng mở rất cao. Với một tần số và mật độ từ thông cho trƣớc , tổn thất lõi ảnh hƣởng chủ yếu bởi độ dày của lá thép và phƣơng pháp tôi luyện. Nhìn chung, dát mỏng hơn , tổn hao mạch từ ít hơn. Thép kỹ thuật điện mỏng khoảng 0,1 mm với tổn thất lõi rất thấp, đƣợc thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng tần số cao, có tính thƣơng mại khả dụng [8] . Hình 1.11. Giới hạn đàn hồi cơ và đặc tính tổ hao lõi thép 19
Hình1.11 so sánh giới hạn đàn hồi cơ và đặc tính tổn hao lõi thép tại 1 T và 400 Hz có tính thƣơng mại khả dụng của SIFE (tứ giác) và CoFe (vuông ) dƣới tên thƣơng mại của mình . Cần lƣu ý rằng, đối với số hiệu thép ( trừ các thị trƣờng đặc biệt có đặc tính cơ học của nó) , các tính chất cơ học thƣờng có giá trị nhận dang điển hình. M270 -35A và M235 -35A là phổ biến 0,35 mm lớp SIFE với một giới hạn đàn hồi khoảng 350 và 450 MPa , tƣơng ứng . Các lớp điển hình thƣờng đƣợc sử dụng để sản xuất với khối lƣợng lớn các động cơ có chất lƣợng cao nhƣ là máy kéo.Máy tần số cao thƣờng sử dụng lá SIFE dày hơn 0,35 mm , chẳng hạn nhƣ NO20 và Arnon7 loại đó dày 0,2 và 0,17 mm tƣơng ứng . Tổn hao mạch từ của lớp mỏng nói trên là cao hơn , nhƣ thể hiện trong hình 11 Tuy nhiên , điều này dẫn đến chi phí của giới hạn đàn hồi giảm , mà thƣờng là 300-380 MPa cho các lớp nhƣ vậy. Yêu cầu đòi hỏi ngày càng nhiều đối với thép đã tạo áp lực cho các công ty nghiên cứu luyện kim thép có tầm nhìn chiến luợc xa hơn trong hai thập kỷ qua . Một trƣờng hợp nhƣ vậy là JNEX10 -Core có một lớp SIFE dày 0,1 - mm và có khoảng 50% tổn hao ở tần số và mức độ cảm ứng đc chú ý, cùng với các lá thép mỏng tần số cao khác bọc bởi 6,5% SI có trong nội dung phần [8] . Điều này cho phép các nhà thiết kế cần thúc đẩy hơn nữa các tần số cơ bản trong stator . Thép tấm silicon thông thƣờng có hàm lƣợng silic 3,5% hoặc ít hơn. Từ lâu nó đã đƣợc biết đến với các đặc tính từ của lá thép silicon cải thiện hàm luợng Si, đạt đỉnh ở mức 6,5 % [8] . Tuy nhiên , thực tế đã không sản xuất tấm thép mỏng với một hàm lƣợng Si hơn 3,5% vì thép có xu hƣớng cứng lại . Vấn đề sản xuất này gần đây đã đƣợc khắc phục thông qua việc áp dụng bằng cách lắng đọng hơi hóa chất . Có một tỷ lệ phần tram cao nhƣ vậy của silicon kết quả là tăng giới hạn đàn hồi cao. Tuy nhiên , vật liệu giòn là điều không mong muốn cho rotor tốc độ cao . Tính dẻo có thể đƣợc cải thiện bằng cách bơm gradient của silicon , nhờ đó một hàm lƣợng silic cao hơn đƣợc đƣa vào các tấm làm giảm 20
tổn thất tần số rất cao , và một hàm lƣợng silic thấp hơn đƣợc bơm vào tại trung tâm Một nghiên cứu thép khác là tập trung vào phát triển độ bền của thép kỹ thuật điện mà không ảnh hƣởng tính dẻo . Hƣớng bên cạnh nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu động cơ nam châm vĩnh cửu trong (IPM ) dùng cho động cơ kéo lai . Động cơ nhƣ vậy đòi hỏi cầu nối phải giữ càng nhỏ càng tốt để hạn chế ngắn mạch từ thông nam châm ( làm giảm khối lƣợng nam châm ) ; Tuy nhiên , điều này bị giới hạn bởi giới hạn đàn hồi của vật liệu lá thép mỏng. Giới hạn đàn hồi cao cỡ 800 MPa có thể đạt đƣợc bằng số lƣợng kỹ thuật nhƣ tăng cƣờng biến dạng tinh thể [9] , với chi phí gia tăng do thất thoát sắt . Các lớp HXT [10] , thể hiện trong hình . 11 , có thể đạt đƣợc một sức bền lớn so vớii độ bền cao thép carbon, vƣợt quá 800 MPa với độ dãn dài vƣợt quá 18% Hình 11 cũng so sánh tổn thất sắt cho bốn loại hợp kim CoFe khác nhau của. Nhƣ thể hiện trong hình này, các hợp kim CoFe với tính chất từ tối ƣu Vacoflux48 có tổn thất thấp hơn đáng kể so với các vật liệu M235 -35A có cùng độ dày ; Tuy nhiên , giới hạn đàn hồi của nó chỉ khoảng 200 MPa (tức là một nửa của SIFE ), trong đó với trƣờng hợp sử dụng ở rotor tốc độ cao là chƣa đủ. Để cho CoFe có giới hạn đàn hồi tƣơng tự (ví dụ , Vacodur 50 với tính chất cơ học tối ƣu) nhƣ SIFE , tính chất điện từ của nó sẽ suy giảm , và những tổn thất có thể so sánh cho cả SIFE và CoFe . Điều quan trọng cần lƣu ý rằng các lớp CoFe nói trên là giòn trong tự nhiên, với Vacoflux48 độ căng là 2% và Vacodur50 độ căng là 6%. Độ căng đƣợc cải thiện đến 32 % với Vacoflux17 , trong đó hàm lƣợng coban giảm 17% , mặc dù tăng tổn hao mạch từ đáng kể. Hợp kim CoFe có thể đƣợc gia cố bởi sự tạo hợp kim với vanadi (V), chẳng hạn nhƣ Hiperco 50 HS , có thể đạt đƣợc giới hạn đàn hồi trên 680 MPa với 15% độ căng 21
B .Các Hợp kim đồng Đối với trƣờng hợp máy điện không đồng bộ, các thanh rotor và vòng ngắn mạch nguyên liệu cần lựa chọn cẩn thận . Giới hạn sức bền cao cần thiết ở nhiệt độ cao nhƣ các thanh phục vụ một nhiệm vụ cơ học bên cạnh các chức năng điện từ. Các thanh lắp thêm cũng tăng độ cứng của rotor và do đó giúp tăng vận tốc tới hạn của máy. Hơn nữa , đối với máy điện không đồng bộ giữ lồng rotor trong tình trạng khỏe mạnh là nền tảng cho hoạt động. Cho ứng dụng tốc độ cao ở nhiệt độ cao , đồng nguyên chất thƣờng không đƣợc sử dụng do độ bền cơ học thấp và bị mềm ở nhiệt độ cao . Một số loại khác của hợp kim đồng - cƣờng độ cao đã đƣợc sử dụng cho hệ thống máy điện dị bộ tốc độ cao , chẳng hạn nhƣ đồng zirconi ( CuZr ) , đồng beryllium ( Cube ) [ 37 ] , và oxit đồng - nhôm ( CuAl2O3 ) [ 23 ], [ 24 ], [ 34 ], [ 35 ] .Hình. 12 là những vật liệu khác nhau đƣợc xem xét cho lồng sóc của rô to với hai thông số quan trọng nhất cho động cơ cảm ứng tốc độ cao (ví dụ , độ dẫn điện và độ bền) . Độ bền của đồng có thể đƣợc tăng cƣờng đáng kể bởi hợp kim nó với các yếu tố khác , nhƣng hợp kim sẽ gây ra tổn hao dẫn đáng kể . Độ bền đồng cũng có thể đƣợc tăng cƣờng bằng cách kết hợp các hạt làm mịn ở pha thứ hai trong ma trận của nó, để tạo tổn hao dẫn tƣơng đối nhỏ . Pha thứ hai có thể là một kim loại hoặc kết tủa của hợp chất liên kim loại từ dung dịch rắn bởi một phản ứng lão hóa , hoặc nó có thể là hạt phi kim loại , chẳng hạn nhƣ oxit, thêm vào hoặc đƣợc hình thành trong ma trận đồng . Có 1số tài liệu , thực hiện bằng cách sử dụng quá trình kỹ thuật oxy hóa nội bộ, là Glidcop từ Bắc Mỹ Höganäs , mà vẫn giữ đƣợc độ bền của nó ở nhiệt độ cao vƣợt quá 300 độ C. 22
Hình 1.12. Độ bền rotor C . Nam châm vĩnh cửu Những thách thức chính cho các nam châm ở tốc độ cao là những tác động cơ học và những tổn hao trung giando sự dao động từ thông là kết quả của stato có rãnh, các sòng hài bậc cao ở khe hở không khí và từ trƣờng không đồng bộ do sóng hài thời gian trong điện áp cung cấp. Trục , bán kính , và những phần hình cung thƣờng đƣợc sử dụng để giảm tổn hao nhƣ hình 13. Ngoài ra, thiết kế kích thƣớc và cuộn dây máy điện để giảm tối thiểu tổn hao rotor và sau đó nhiệt độ nam châm là một thiết kế có tính quyết định [ 60 ] . Máy điện tốc độ cao thƣờng sử dụng nam châm có mật độ năng lƣợng cao NdFeB hoặc SmCo với khả năng làm việc ở nhiệt độ cao . Lớp hợp kim NdFeB với Dysprosium ( Dy ) có nghĩa là nam châm NdFeB có thể làm việc tới giới hạn nhiệt độ lên đến 250 ◦ C chẳng hạn nhƣ lớp N38EH . Đối với vật liệu làm việc đc trên mức nhiệt độ này chỉ có samari - coban Sm2Co17 là thích hợp. Mặc dù có độ từ dƣ và sự sản sinh năng lƣợng thấp hơn một chút so với các nam châm NdFeB, điển hình loại Sm2Co17 có thể hoạt động lên đến nhiệt độ 350 ◦ C , với một số loại đặc biệt đc đẩy giới hạn lên đến 550 ◦ C , với sự trả giá bằng giảm từ dƣ nhƣ trong hình . 14 23
Các ống bọc dẫn điện stator và rotor cũng đƣợc áp dụng để bảo vệ các nam châm khỏi từ trƣờng không đồng bộ . Nam châm vĩnh cửu(PM) chịu căng rất yếu, mặc dù nó có thể chịu đƣợc ứng suất nén lớn . Để đảm bảo tính toàn vẹn cơ khí của rotor tốc độ cao , nam châm thƣờng đƣợc nén trƣớc khi sử dụng ống bọc làm bằng vật liệu có độ bền kim loại cao ví dụ nhƣ Inconel hoặc titan [ 61 ] . Sợi carbon cũng đƣợc sử dụng nhƣ một cơ chế duy trì để đặc tính cơ học tốt hơn . Điều này có thể trực tiếp làm hỏng các dây nhỏ của cuộn dây rotor khi gia công hoặc một ống bọc đúc sẵn có thể đƣợc ép vào khi lắp ráp Hình 1.13.Nam châm vĩnh cửu cho tỏn hao rotor Hình 1.14. Nam châm vĩnh cửu ở nhiệt độ cao 24
1.1.4.Tổng hợp công nghệ máy điện tốc độ cao A.Những máy điện dị bộ(IMs) tốc độ cao Những máy điện dị bộ , do bền vững về cấu trúc đã đƣợc dùng cho các ứng dụng tốc độ cao . Bảng II , là sự phát triển và mở rộng và đƣợc trình bày trong [ 19 ] , danh sách các Những máy điện dị bộ tốc độ cao đƣợc công bố trong tài liệu, xếp theo thứ tự tốc độ vòng , " vc " ( trong m / s) . Từ bảng này , cần lƣu ý rằng, đối với các thiết bị vận tốc vòng cao nhất , một cấu trúc rotor rắn thƣờng đc ƣa chuộng do độ bền cơ học cao của một cấu trúc nhƣ thế. Hình 15 là sơ đồ cấu trúc một Rotor rắn đơn giản nhất và bễn vững nhất. Tuy nhiên ,1 thiết kế nhƣ vậy thiếu một đƣờng dẫn cao cho các dòng điện cảm ứng ở và nhƣ vậy là một thiết kế không hiệu quả [11] , [12] . Các thành phần dòng từ thông bậc cao tập trung trên bề mặt của rotor và gây ra tổn hao đáng kể trong đó , điều đó đã hạn chế mật độ công suất tổng thẻ của máy điện . Hơn nữa, dòng điện xoáy cố gắng đẩy từ trƣờng cảm ứng ra ngoài rotor Việc xẻ rãnh theo trục rotor rắn, nhƣ thể hiện trong hình . 15 (b) , là một cải tiến so với rotor rắn mịn mà bằng cách xẻ rãnh theo trục trên bề mặt rotor [13] , [14] . Các rãnh đó có tác dụng dẫn các thành phần cơ bản của từ thông vào rotor trong khi hiện có đƣờng dẫn trở kháng cao hơn cho dòng điện xoáy di chuyển trên bề mặt rotor . Tuy nhiên , các rãnh cũng làm tăng tổn thất ma sát khe hở không khí, mà ở tốc độ cao thậm chí có thể coi là lớn hơn làm giảm dòng điện xoáy hiện nay, cũng nhƣ làm giảm độ bền cơ học của rotor. 25
Hình 1.15.Rotor rắn tốc độ cao (a) Rotor rắn mịn. (b) Rotor xẻ rãnh. (c) Rotor phủ lớp đồng. (d) Rotor có cuộn dây ngắn mạch Nghiên cứu chi tiết về rãch trục của động cơ rotor cảm ứng đƣợc trình bày bởi Aho [15] và Huppunen [16]. Trong các nghiên cứu , số lƣợng các khe rotor và kích thƣớc của chúng đƣợc nghiên cứu với mục đích đạt đƣợc một thiết kế tổng thể tối ƣu . Cần lƣu ý rằng rãnh sâu cung cấp khả năng tạo mô men tốt nhƣn trả giá bằng giảm độ bền cơ học . Aho khuyến cáo độ sâu khe khoảng 40 % -50% bán kính rotor để đạt đƣợc một sự hài hào giữa độ bền rotor và giảm tổn hao dòng điện xoáy . Hơn nữa, cần lƣu ý rằng các số lẻ của rãnh rotor giảm độ dao động mô-men và nhƣng làm tăng sự mất cân bằng lực hút từ trƣờng. Một cải tiến hơn nữa trong các rotor đƣợc thực hiện bằng cách phủ một lớp đồng lên rotor rắn , nó đặc trƣng bất đẳng hƣớng điện từ [17] , [18] , nhƣ hình . 15 (c) . Lớp phủ đồng hoạt động nhƣ một số lƣợng vô hạn của thanh rotor và nhƣ một vòng ngắn mạch . Thiết kế nhƣ vậy cơ khí bền vững và đạt đƣợc hiệu suất cao hơn các rotor rắn đơn giản. Hình 16 cho thấy 1 rotor rắn mạ đồng IM 300 - kW 60 000-vòng/phút sử dụng cho một máy nén khí [ 30 ] . Cấu trúc liên kết này đƣợc sử dụng trong các máy có tốc độ ngoại vi cao nhất thể hiện Bảng II ; Tuy nhiên , do có một lớp phủ , khe hở không khí của stato với rotor lớn hơn nhiều so với máy dị bộ ở đó đồng nằm trong các thanh vì vậy dẫn đến hệ số công suất kém . 27
Hình 1.16.Rotor lồng sóc 300 kw 60000vòng/phút Lahteenmaki và Soitu [19] , [20] nghiên cứu sử dụng một rotor rắn với cuộn dây ngắn mạch, nhƣ thể hiện trong hình . 15 (d) . Ý tƣởng đằng sau cấu trúc này là kết hợp độ bền cơ học của một rotor rắn với hiệu suất điện của một rotor lồng sóc . Khó khăn trong việc sản xuất một cấu trúc nhƣ vậy đƣợc trình bày cụ thể là khoan các khe trong khối thép vì vậy thiết kế rotor có rãnh hở . Lahteenmaki so sánh một rotor rắn lồng sóc với một rotor rắn mạ đồng cho máy loại 60 kW 60 000-vòng/phút và đã kết luận rằng rotor lồng sóc có mật độ năng lƣợng và hiệu suất tăng hơn với loại rotor đựơc mạ, khi phải trae giá về khí giảm độ bền vứng đáng kể Lahteenmaki cũng so sánh một rotor lồng sóc với các lá thép mỏng với một rotor mạ một lớp [19] cho máy có 65 kW 30 600-r/min và thấy rằng hiệu suất cao và hệ số công suất đạt giá trị 1 đối với loại rô to cấu trúc bằng các là thép mỏng. Rotor nhiều với các là thép mỏng đã cấp hơn 39% năng lƣợng khi cùng cuộn dây stato khi nhiệt độ tăng. Latebet al. [5] cũng so sánh các loại cấu tạo khác nhau của rotor rắn đối với cấu trúc rô to dùng các lá thép mỏng, và nó có kết quả rằng các cấu trúc rotor nhiều lá mỏng có mức hiệu suất cao hơn 2% -3% so với các cấu tạo khác nhau của rotor rắn , cũng cao hơn về hệ số công suất . Kết quả tƣơng tự đã đƣợc báo cáo bởi Ikedaet al. [21] , ngƣời đã tiến hành thực nghiệm so sánh một sơ đồ cấu trúc rotor rắn lồng sóc với một cấu trúc rotor lá thép mỏng cho loại máy 200 - kW 12 000-r/min Có một sự thống nhất chung trong các tài liệu công bố là là rotor thép là mỏng sẽ đƣợc sử dụng nếu khả năng cơ khí có thể đem lại hiệu suất làm 28
việc cao hơn đáng kể. Sau đây là một cái nhìn tổng quan về những gì đã đƣợc công bố liên quan đến việc thiết kế rô to là thép mỏng tốc độ cao cho IMs theo một thứ tự thời gian . Các bài báo của Bogliettiet al. [22] là một trong những bài báo đầu tiên để thảo luận về sự phức tạp liên quan đến việc thiết kế tốc độ cao IMs rotor lá thép mỏng . Trong [22] , đƣa tổng quan cần phải nghiên cứu những vấn đề điện từ , nhiệt điện, cơ khí khi thiết kế khi ghi nhận rằng (so với tiêu chuẩn IMs) mật độ dòng điện ở rotor có thanh ngắn mạch đƣợc sử dụng trong các máy tốc độ lớn ,đạt khoảng 20 A / mm2 coi nhƣ là một con số điển hình cho mật độ dòng thanh rotor . Bogliettiet al. cũng thảo luận về các vấn đề tổn hao sắt cao do tần số cơ bản cao trong các máy tốc độ cao. Điều này thƣờng hạn chế các nhà thiết kế trong việc lựa chọn mật độ từ thông thấp trong rãnh stator ( 1-1,1 T , so với 1,5-1,8 T 50 - Hz IM) , cũng nhƣ trong ách stator ( 1,1-1,2 T so với 1,5-1,7 T 50 - Hz IM) . Tất cả các vấn đề nêu trên có xu hƣớng gây ra vấn đề nhiệt cho phần lớn các máy có kích thƣớc nhỏ, dẫn đến hệ thống làm mát cƣỡng bức là một yêu cầu . Các vấn đề thiết kế cơ khí thảo luận trong [ 22 ] liên quan chủ yếu đến vấn đề lựa chọn ổ đỡ, dầu bôi trơn và sự cân bằng , lƣu ý rằng máy tốc độ cao vấn đề cân bằng đòi hỏi .rất cao. Soonget al. [23] cung cấp một khái niệm toàn diện về thiết kế tốc độ cao IMs ,mô tả thiết kế và sản xuất một sản phẩm dụa trên trƣờng hợp nghiên cứu và thiết kế động cơ 21 - kW 50 000-r/min cho một ứng dụng máy nén khí. Nghiên cứu đƣợc tiến hành khi lựa chọn thanh rotor và vòng ngắn mạch đƣợc thảo luận, có lƣu ý đặc biệt là sự cần thiết giới hạn cao về sức bền vật liệu đối với các thanh dẫn rotor , cũng nhƣ mô tả sự thỏa hiệp giữa việc xử lý nhiệt của các là thep khác nhau để tìm ra sự thỏa hiệp giữa tính chất cơ khí và điện từ. Soonget al. dùng SIFE mỏng cho cả rotor và stator , và các vật liệu đƣợc xử lý nhiệt một cách riêng biệt sau khi nén để đạt đƣợc các đặc tính mong muốn của rotor và stator (nghĩa là giới hạn đàn hổi cao hơn cho rotor là mỏng và tổn thất sắt thấp hơn cho stator mỏng ) 29
Vấn đề ứng suất ở rotor lá thép mỏng là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu khi ghi nhận các thanh rô to dich chuyển ứng suất cực đại tập trung trong lá thép ứng với các đĩa quay. Vấn đề này cũng đƣợc thảo luận bởi Kimet al. [24] , ngƣời đã mô tả việc thiết kế một máy dị bộ 11 - kW 56 000- r/min cho máy nén ly tâm , lƣu ý việc sử dụng một rãnh tròn kín để giảm thiểu ứng suất trong các rotor mỏng . Centner và Schafer [ 25 ], [ 26 ] thảo luận về các mác thép đƣợc sử dụng cho rotor lá thép mỏng nhƣ một tham số tối ƣu hóa và cố gắng nghiên cứusự phù hợp và so sánh sử dụng SIFE và CoFe mỏng cho IMs tốc độ cao Họ so sánh 0,2 - mm " Vacoflux 50 ", chúng là một hợp kim CoFe từ Vacuumschmelze GmbH, từu M270 -35A , đó là một vật liệu làm tấm chắn tiêu chuẩn có độ dày 0,35 mm có tổn thất thấp SIFE. Họ đã xây dựng hai máy cùng một vỏ bọc, tức là , một làm từ CoFe và cái khác từ SIFE khi lƣu ý rằng , do độ bão hoà từ cao hơn, một máy có tải từ tính cao có thể đƣợc thiết kế với CoFe , kết quả là hiệu quả cao hơn máy SIFE (91% so với 89% ở 400 Hz) Tất cả các IMS tốc độ cao nói trên sử dụng một thanh rotor hình tròn. Geradaet al. [ 34 ], [ 35 ] mô tả một phƣơng pháp thiết kế giúp tăng mật độ năng lƣợng của IMs rotor nhiều lớp bằng cách sử dụng thanh hình giọt thay vì các thanh rotor tròn thông thƣờng khi gắn tải từ và điện cho máy và chia nhỏ chúng. Các thanh hình giọt cho phép mật độ dòng điện trong rotor lồng sóc đƣợc tập trung lại để thỏa mãn nhịêt độ cực đại. Tuy nhiên , hình dạng thanh nhƣ thế cũng làm tăng ứng suất trong lá thép ; do đó việc sử dụng một môi trƣờng thiết kế đa vùng cũng là điều cần thiết . Phƣơng pháp đƣợc sử dụng để tăng mật độ năng lƣợng của 10 kW 80 000 vòng/phút IM , thể hiện trong hình . 17, cho một ứng dụng máy nén kiểu tuabin 30
Hình 1.17. Rotor lá thép mỏng 10kW 80000 vòng/ phút Các IMs rotor lá thép mỏng đc báo cáo trong tất cả các tài liệu nói trên có lắp ráp một rotor lá thép mỏng, tức là trục cứng với lá mỏng rỗng đƣợc lắp vào nó. Trong [23] , nó đƣợc báo cáo rằng, với thiết kế thông thƣờng IM , tỷ lệ rotor ID / rotorOD(tỷ số đƣờng kính trong ngoài của rôtor) là quá cỡ trong máy tốc độ cao để tăng độ cứng , và để cho phép tăng một tỷ lệ nhƣ thế việc dẫn từ thông qua trục đƣợc sử dụng. Trong một tiếp cận sáng chế thú vị [ 27 ], [ 28 ] , một lõi nhiều chỉ dùng các lá thép đƣợc sử dụng, với các vòng cuối cố định bởi bulong thép . Cấu trúc này bao gồm hai đầu trục thép và lá mỏng liên kết với nhau bởi một số bulông thép . Lồng sóc bao gồm thanh đồng làm ngắn mạch phân phối ở phía ngoài cùng của lõi và liên kết với hai vòng hợp kim đồng đƣợc đặt ở cả hai đầu của ống. Ống và các vòng đƣợc gắn chặt do các bulông neo, mà còn đƣợc phân phối ở phía ngoài của lõi và lắp vào các đầu trục Công nghệ này đc cấp bằng sáng chế đang đƣợc sử dụng có tímh thƣơng mại bởi Converteam SAS (nay là GE Energy ) [5] . Động cơ này có tên giao dịch là MGV ( Moteur grande vitesse ) , có công suất trong khoảng 3-30 MW 6000-18 000 vòng / phút cho máy nén trong các ngành công nghiệp dầu khí . Các phân tích máy/rotor động của cấu trúc này đã đƣợc xử lý một cách chặt chẽ trong [29]. Một cấu trúc nhƣ vậy cho phép vận tốc vòng rất cao.Động cơ dị bộ( Ims) Rotor lá thép mỏng phải đạt đƣợc với tốc độ 250 m/s [5] .Vận tốc vòng cao nhất của rotor là mỏng máy dị bộ đạt đƣợc bằng cách sử dụng các tính ƣu việt của thiết kế vòng ngắn mạch và bằng cách sử dụng 31
tôn lá độ bền cao , đó là nam châm của rotor (tức là loại thép không điện) . Trong [ 36 ] và [ 37 ] trình bày phân tích những thiết kế vòng cuối tiên tiến trong tuơng lai cho máy loại 2 MW 15 000-r/min, thể hiện trong hình . 18 , bao gồm một phần không đồng dạng chéo , cắt giảm giảm stress hoop, và tích hợp làm chủ các liên kết, làm giảm nồng độ căng thẳng quan trọng , cho phép hoạt động theo một tốc độ rộng và phạm vi thiết kế nhiệt độ . Cho rotor lá mỏng, có độ bền cao máy bay cấp AISI 4130 thép hợp kim đƣợc đề cập [ 37 ] . Điều này cho phép các rotor tốc độ ngoại vi đƣợc tăng lên đến 290 m/s. Tƣơng tự nhƣ vậy , trong [ 38 ] , các hợp kim có độ bền cao AerMet 100 đƣợc sử dụng cho các rotor lá mỏng cho máy loại 45 kW 92 500 r/min với tốc độ vòng 240 m/s. Hình 1.18. Nam châm của rotor của máy 2-MW 15 000 vòng/phút B. Máy PM tốc độ cao Máy PM cũng rất phổ biến cho các ứng dụng tốc độ cao chủ yếu là do mức độ hiệu quả cao của nó mà không giống IMs , tổn hao rotor có thể khử đƣợc bằng tạo rãnh , vì vậy, nhiệt độ rotor có thể đƣợc giới hạn ở giá trị thấp hơn cho thiết kế cuộn dây quấn rải. Bảng III liệt kê một số máy PM tốc độ cao đƣợc tìm thấy trong tài liệu, một lần nữa là bậc các vận tốc vòng. Noguchiet al, thiết kế máy PM loại 2 - kW 220 000-vòng/phút cho một ứng dụng máy nén kiểu tuabin. Rotor đƣợc chuẩn bị sẵn một nam châm hình xuyến rãnh có 32
đƣờng từ hóa song song , đƣợc trang bị trên một trục và giữ lại bởi một băng sợi carbon . Một tính năng thú vị của động cơ này là sáu khe 2 cực tập trung các rãnh cử cuộn dây cấu trúc cực từ Tổ hợp các cực từ này đƣợc sử dụng bởi Shigematsuet al,ngƣời đã nghiên cứu kỹ thuật để giảm tôn thất rotor. Tuy nhiên , sự chọn lựa tổ hợp các rãnh làm cực cho kết quả là cảm ứng từ đủ cao , và nó cho phép máy có thể làm yếu từ trƣờng . Noguchiet al.also mô tả thiết kế của một máy PM loại1,5 - kW 150 000-r/min cho một bộ bơm tăng áp ô tô, trong đó sử dụng một rotor có cấu tạo tƣơng tự và tổ hợp các rãnh làm cực , nhƣng đƣợc giữ lại bởi sợi thủy tinh . Wanget al. mô tả đặc tính thiết kế rotor của một máy PM loại 22 kW 120 000-r/min với mục đích cải tiến thiết kế rotor để điều khiển không cảm biến . Trong bài báo này , hai cấu trúc rotor đƣợc giới thiệu: một rotor sử dụng một nam châm hình xuyến vòng rỗng từ hóa song song thông thƣờng và rotor khác sử dụng hai đoạn từ hóa song song cho mỗi cực . Cả hai bộ phận từ tính đƣợc gắn trên một trục và đƣợc giữ lại bởi khớp nối titan. Có thể thấy , bằng cách phân đoạn các nam châm từ hóa song song, cả từ thông cơ bản và từ thông bậc 3 ở khe hở không khí đc cải thiện , do đó động cơ làm viêc tốt hơn cho điều khiển không cảm biến 33
Zwyssiget al.đã xây dựng một số các máy tốc độ quay cao nhất. Trong [ 14 ] , thiết kế ,phân tích và thử nghiệm máy phát điện PM loại 100 -W 500 000-r/min cho một tua bin khí cỡ trung bình. Rotor bao gồm một nam châm hình trụ từ hóa song song đƣợc đặt trong vòng một phần rỗng của một trục titan hai phần . Những máy móc và rotor động xem xét kết hợp với một cài đặt nhƣ đã trình bày. Các chi tiết của công trình này đƣợc thể hiện trong hình . 19 . Máy này đƣợc mở rộng lên 1- kW 500 000-r/min điện nút , do đó tăng 34
vận tốc vòng của các rotor . Cả hai máy đƣợc sử dụng một cấu trúc stator không có rãnh , với mục đích giảm thiểu các tổn hao rotor và tránh sử dụng răng stator rất mỏng (ví dụ , cơ học yếu ). Các tác giả này cũng phát triển một máy PM loại 100 -W 1 000 000-r/min [4] Hình 1.19. Máy điện 100-W 500 000 vòng/phút Zhao et al. [ 48 ], [ 49 ] trình bày các thiết kế của một động cơ PM loại 2 - kW 200 000-r/min cho tuabin đảo chiều chu trình Brayton của máy lạnh cryo. Tƣơng tự nhƣ một stato không có rãnh đƣợc sử dụng và một nam châm rắn là phù hợp với bên trong một trục rỗng . Samari - coban đƣợc sử dụng do nó ổn định ở nhiệt độ đông lạnh. Một nam châm hình elip đƣợc sử dụng trong thiết kế này, mặc dù không trình bày lý do cho việc này Takahashiet al,thảo luận về việc thiết kế cho động cơ 5 kW 150-000 vòng / phút dùng cho máy công cụ . Những tính năng thiết kế quan trọng đƣợc nghiên cứu , đặc biệt lƣu ý những lợi ích của việc sử dụng một khe hở không khí vật lý lớn cho các máy tốc độ cao , để giảm gợn sóng khe hở không khí và tổn hao trong ống bọc trong nam nam châm do dòng điện xoáy. Cho việc thiết kế điện từ tƣơng tự , vật liệu đã đƣợc nghiên cứu thực nghiệm khẳng định lợi ích của việc dùng vật liệu có độ dẫn điện yếu loại chất chất dẻo pha cao su với mục đích là giữ tổn hao thấp nhất. Ích lợi của việc sử dụng vật liệu dẫn điện kém nhằm bảo vệ nam châm đã đƣợc xác nhận bởi Choet al, ngƣời đã so sánh với những tổn hao của một máy nén tăng áp 50 kW 70 000- 35
r/min có sử dụng một ống bọ(sleeve) Inconel718 , để thiết kế khi sử dụng một ống bọc sợi carbon , nhận thấy rằng đã giảm tổn hao 6 lần Binderet al. cung cấp các biểu thức phân tích cho thiết kế một hệ thống bảo vệ sợi carbon cho máy tốc độ cao , khi minh họa với nghiên cứu một trƣờng hợp 40 kW 40 000-r/min. Trong bài báo đó, khi sử dụng cùng một nút nút năng lƣợng / tốc độ, thì sự hạn chế tốc độ của việc sử dụng máy IPM để duy trì nam châm đƣợc nghiên cứu ,và nó đƣợc thông báo rằng bằng cách sử dụng thép SIFE có độ bền bình thƣơng vận tốc vòng quay tối đa đƣợc giới hạn trong khoảng 80 m/s. Tốc độ vòng quay cao hơn máy IPM chỉ có thể đạt đƣợc do sử dụng thép điện có độ bền cao nhƣ mô tả của Hondaet al, ngƣời đã đạt đƣợc vận tốc vòng quay vƣợt quá 230 m/s cho một IPM Tài liệu khác đã tập trung vào các phƣơng pháp thiết kế vật lý và tối ƣu hóa máy tốc độ cao , chẳng hạn nhƣ công việc đƣợc thực hiện bởi Pfitser và Perriard, ngƣời đã thiết kế và tối ƣu hóa động cơ 2 - kW 200 000-r/min và các tài liệu thể hiện bởi Bianchiet al, những ngƣời nghiên cứu lựa chọn thiết kế sử dụng vật liệu khác nhau cho một động cơ 1- kW 25 000-r/min dùng cho máy công cụ . Cần lƣu ý rằng, đối với tất cả các máy trên, một máy SPM chỉ sử dụng vật liệu giữ nam châm độ bền cơ học ( sợi titan / inconel / sợi carbon / thủy tinh) C. Máy SR tốc độ cao Mặc dù ít phổ biến hơn cho các ứng dụng tốc độ cao so với IMs và PM , một số máy SR đã đƣợc phát triển cho một số ứng dụng thích hợp . Vùng ứng dụng phổ biến hơn là cho công suất thấp (lên đến 1 kW) thị trƣờng sản xuất hàng loạt với chi phí thấp nhƣ máy hút bụi và máy thổi khí. Những máy này thƣờng rất đơn giản trong thiết kế với cấu tạo bốn rãnh hai cực thƣờng đƣợc sử dụng . Một ứng dụng máy SR tốc độ cao là động cơ máy bay. Ở đây , máy SR thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ là một hệ thống khởi động/ máy phát điện ( S / 36
G) để bắt đầu và khai thác năng lƣợng điện thứ cấp. Khả năng cực hiện của chúng họ là thiết kế đơn giản, và khả năng hoạt động trong các môi khắc nghiệt ( nhiệt độ môi trƣờng khoảng 400 ◦ C) làm cho SR một sự lựa chọn thích hợp cho một ứng dụng nhƣ vậy . Các máy sử dụng gần nhƣ độc quyền , giới hạn đàn hồi cao lá mỏng vanadi - sắt - cobalt nhƣ Hiperco 50 HS . Bảng IV liệt kê một số máy SR tốc độ cao đƣợc tìm thấy trong tài liệu. Trong trƣờng hợp không có các kích thƣớc của rô to, các máy này đƣợc xếp theo thứ tự r/min √ kW D . Máy Đơn Cực đồng bộ tốc độ cao Máy Đơn Cực đồng bộ có nguyên lý hoạt động tƣơng tự nhƣ máy đồng bộ có cuộn kích từ phổ biến Tuy nhiên , trong trƣờng hợp của các máy đơn cực , cuộn kích từ( hoặc nam châm ) đƣợc cố định vào stator chứ không phải là các rotor . Một sơ đồ nhƣ vậy trong cấu trúc bền vững đơn giản nhƣ vậy có thể đƣợc xây dựng từ một mảnh đơn thép có độ bền cao và phù hợp cho hoạt động tốc độ cao . Máy đơn cực đã đƣợc nghiên cứu chủ yếu cho hệ thống bánh đà tốc độ cao tích trữ năng lƣợngở đây điều quan trọng là phải có tổn hao mô-men quay zero- và tổn hao rotor thấp do máy hoạt động trong chân không. Tsao [15] đã thiết kế và thử nghiệm một máy điện có xung công suất 30 kW ,100 000-r/min ,140 Wh , đƣợc thể hiện trong hình . 20 , cho một 37
bánh đà tích hợp . Một rotor rắnđộ bền cao đƣợc sử dụng cho cả rotor điện và ắc quy lƣu trữ năng lƣợng . Trong động cơ này , bốn cực đƣợc cắt ở cả phần trên và dƣới của rotor, với các cực thấp xoay 45◦ đối với các cực trên. Cuộn dây kích từ bao quanh phần trung tâm hình trụ của rotor. Máy đƣợc kiểm tra và đã đạt đƣợc hiệu suất trung bình 83% ở công suất trung bình là 9,4 kW , trong phạm vi tốc độ 30 000 đến 60 000 vòng / phút Hình 1.20. Máy điện 30 kW ,100 000-r/min ,140 Wh cho bánh đà tích hợp 1.1.5. Thống kê máy tốc độ cao Với các máy đƣợc liệt kê trong các tài liệu khảo sát , cũng nhƣ các máy khác đƣợc khảo sát từ công nghiệp riêng biệt , đã trình bày trên hình. 21 .Trong hình này, các nút công suất- tốc độ đƣợc vẽ cho tất cả các máy điện đƣợc xây dựng và thử nghiệm của các tác giả đã biết. Trên cùng một đƣờng vẽ, các r / min dòng √ kW đƣợc chồng lên nhau . Các khái niệm về r / min √ kW , nhƣ đã giới thiệu và mô tả trong [1], là một hình ảnh đƣợc chấp nhận cho các máy quay tốc độ cao . Nó cung cấp một "chỉ số hƣớng dẫn’ đáng tin cậy để cập nhậttừ các tổ hợp của tốc độ và năng lƣợng, nó giống nhƣ mức độ nghiêm trọng của vấn đề động học nhƣ tốc độ tới hạn, giá trị cao của ổ đỡ , tốc độ thiết bị ngoại vi và ứng suất , và nhạy cảm với cân bằng [1] . Nói chung , vấn đề động học là không đáng kể đối với máy móc hoạt động dƣới 1 × 10 5 r / min √ kW và vừa phải cho máy móc hoạt động từ 5 × 10 5 r / min √ 38
kW và 1 × 10 6r/min √ kW. Ở trên các giá trị này , vấn đề cơ khí trở nên khó khăn để thỏa mãn [1] . Các quan sát sau đây đã đƣợc ghi nhận cho máy điện quay tốc độ cao và tóm tắt trong bảng V. Hình 1.21.Công suất cao và số vòng phút , kW 1) Tốc độ cao nhất r / min √ kW , khi chỉ cần vƣợt quá 1 × 10 6 , đạt đƣợc chỉ thông qua công nghệ IM rắn rotor. Công nghệ này cũng đạt đƣợc xung tốc độ ngoại vi cao nhất theobáo cáo , khoảng 400 m / s. 2) Bề mặt máy PM với một cơ chế duy trì độ bền cao ( thƣờng Inconel , titan, hoặc sợi carbon ) hiện chỉ giới hạn khoảng 8 × 10 5 r / min √ 39
KW và tốc độ ngoại vi 300 m / s 3) Máy điện dị bộ rô to làm bằng thép mỏng sử dụng thép điện kỹ thuật thƣờng đạt đƣợc một điện r / min √ kW khoảng 2,5 × 10 5 r / min √kW và tốc độ ngoại vi của 185 m / s 4) IMs rotor nhiều lớp sử dụng thép có độ bền cao cho tấm mỏng , chẳng hạn nhƣ AerMet 100 hoặc AISI 4130 có thể đạt khoảng 6 × 10 5 r / min √ kW . Điều này cũng có thể đạt đƣợc bằng cách sử dụng lớp thép điện mới đƣợc giới thiệu có độ bền cao với độ bền vật liệu vƣợt quá 800 MPa , chẳng hạn nhƣ 35HXT780T . Tốc độ ngoại vi điển hình ở mức 280 m / s. 5) Máy SR với bão hòa từ cao và sức bền vật liệu lớn với là thép laminations VCoFe đạt đƣợc r / min √ kW khoảng 3.5 × 10 5 và tốc độ ngoại vi hơn 200 m / s. 6 ) Sự phát triển thép cƣờng độ cao là tạo một khả năng cho các máy IPM đƣợc sử dụng cho tốc độ cao hơn , với over1.5 × 10 5 r / min √ mã lực và 230 m / s đạt đƣợc [62]. Việc lựa chọn và thiết kế của máy cấu trúc máy điện cho các ứng dụng tốc độ cao thƣờng là một vấn đề phức tạp cần phải đƣợc quyết định bằng cách xem xét chặt chẽ các ngành khoa học có liên quan, cụ thể là các thiết bị điện từ , cơ khí, nhiệt , và điện tử công suất Bài viết này đã trình bày các ứng dụng chính đẩy sự phát triển của công nghệ, và thông qua một cuộc khảo sát tài liệu phong phú và các nhà thiết kế kinh nghiệm , nghiên cứu này đã xác định có thể đạt đƣợc r / min √ kw và tốc độ cho các cấu trúc nghiên cứu. Sự sẵn sàng đƣa ra thị trƣờng gần đây của loại thép kỹ thuật điện có độ bền cơ học cao chắc chắn sẽ tạo một khả năng cho nhiều lớp rotor máy điện dị bộ và máy IPM để tìm thêm sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao 40
CHƢƠNG 2. MỘT CẤU TRÚC MỚI CHO ỨNG DỤNG MÁY CỠ NHỎ TỐC ĐỘ CAO 2.1. GIỚI THIỆU Truyền động bằng điện tốc độ cao đã là một đề tài nghiên cứu rất phổ biến thời gian gần đây . Một số truyền động điện với tốc độ trên 100 000 vòng/phút và mức công suất từ 100 W đến vài KWS đã đƣợc nêu trong tài liệu . Bên cạnh động lực này chủ yếu là xu hƣớng thu nhỏ trong các ứng dụng nhƣ máy nén khí kiểu tuabin , tua bin khí và các máy tạo con suốt [1] . Một truyền động có công suất 100 W , 500.000 vòng / phút đƣợc mô tả trong [1] . Một máy có công suất 2 kW , 200 000 r / min đƣợc thiết kế , tối ƣu hóa và thử nghiệm trong [2] . Tổng quan về hệ thống truyền động siêu tốc độ cao đƣợc đƣa ra trong [3] . Các tác giả đã phân tích giới hạn tốc độ của máy điện tốc độ cao trong [4] . Các ứng dụng đƣợc mô tả ở trên có điểm làm việc với một tốc độ và công suât định mức. Do đó, các động cơ đƣợc thiết kế và tối ƣu hóa cho tốc độ và công suất danh này , những máy đó phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao điển hình nhƣ máy nén turbo. Tuy nhiên , có những ứng dụng tốc độ cao có yêu cầu mô-men điện từ và tốc độ khác nhau. Ví dụ , xu hƣớng trong máy cỡ nhỏ là hƣớng tới các công cụ nhỏ hơn có tốc độ quay cao và yêu cầu mô-men xoắn thấp. Mặt khác , với trục quay còn có khả năng truyền động dụng cụ lớn hơn đòi hỏi phải có mô-men xoắn lớn ở tốc độ thấp hơn. Một ứng dụng nhƣ vậy là máy nghiền cỡ nhỏ tốc độ cao ở đó đƣờng kính công cụ giảm xuống còn 0,1 mm đƣợc sử dụng yêu cầu mô-men gần nhƣ bằng không khi ở tốc độ cao [5] , trong khi cũng một trục nhƣ vậy đƣợc áp dụng cho cắt chỉ ở tốc độ thấp có mô-men lớn là cần thiết . Thêm 1 vài ví dụ, cụm đầu máy văn phòng mới đƣợc cải tiến để xử lý việc gia công linh kiện rất nhỏ cho ngành công nghiệp đồng hồ và mũ răng. 41
Một ứng dụng tiếp theo với đặc điểm kĩ thuật tƣơng tự là thiết bị nha khoa cầm tay. Hiện nay, thiết bị cầm tay khác nhau đƣợc gia công khác nhau chúng thƣờng cần mô-men quay thấp ở tốc độ cao và mô-men quay cao ở tốc độ thấp . Do đó, có các hoạt động để thay thế 1 vài thiết bị cầm tay động cơ tốc độ thấp với hộp số đc nâng cao cho các ứng dụng riêng biệt chỉ cho thiết bị cầm tay đƣợc truyền động trực tiếp Các ứng dụng khác có yêu cầu tƣơng tự nhƣ các thiết bị điện cầm tay nhƣ máy mài cầm tay .Máy điện Nam châm vĩnh cửu có rành ( PM ) thƣờng đƣợc sử dụng trong truyền động tốc độ cao , chủ yếu do đơn giản và cấu trúc rotor bền vững và phản ứng phần ứng yếu điều đó đc giới hạn tổn hao rotor [6] .Mô-men quay của một máy nhƣ vậy chỉ có thể đƣợc tăng lên bằng cách tăng khối lƣợng máy (với tỷ số tổn hao không đổi). tuy nhiên nhƣ thế không thể có trong một số ứng dụng ,cần kích thƣớc nhỏ để không làm ảnh hƣởng tới sự điều khiển linh hoạt . Ví dụ, không gian trung tâm màn hình máy cỡ nhỏ cho đầu trục máy phay là rất hạn chế và kích thƣớc đầu của trục chính hạn chế có thể tạo hình của các phần công việc Tƣơng tự nhƣ vậy, kích thƣớc đầu của một khoan răng cầm tay ảnh hƣởng đến vấn đề thẩm mỹcho bệnh nhân và bác sĩ nha khoa. Hơn nữa, tốc độ quay tối đa của một máy đƣợc giới hạn bởi đƣờng kính và chiều dài của roto do tác động cơ học và hạn chế động lực học rotor [4 Trong [7] các tác giả đã đề xuất một cấu trúc động cơ mới, đƣợc gọi là máy điện stator nằm ngang (LSM), để khắc phục những hạn chế của các động cơ tốc độ cao hiện diện trong ứng dụng không gian bị hạn chế. Trong công việc này, chiếc máy stator nằm ngang đã đƣợc chứng minh cho phép cả mô-men quay cao ở tốc độ thấp và mô-men quay thấp hoạt động tốc độ cao, với kích thƣớc đầu nhỏ bao quanh rotor. Hai loại máy stator nằm ngang đƣợc thể hiện và đƣợc phân tích khi sử dụng phƣơng pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) kích thƣớc do kích thƣớc phức tạp của máy và độ bão hòa từ trong các phần sắt 42
Việc xác định kích thƣớc hình học mô men và tổn hao đƣợc cho trƣớc và đã xác định thông số của 2 loại máy stato nawmg ngang cũng nhƣ mô hình các loại tổn hao khác nhau đƣợc mô tả chi tiết. Một cách tiếp cận đánh giá đầy đủ đƣợc thông qua, có nghĩa là tất cả các tham số máy cho ở không gian rời rạc đƣợc đánh giá và sau đó đƣợc chọn 1 cái tốt nhất Trong [8] các tác giả đã tiếp tục xem xét về việc xây dựng các máy stator nằm ngang một cách chi tiết. Hơn nữa, họ đề xuất một bàn thử nghiệm có thể đánh giá tổn hao máy điện mô-men quay, cho phép kiểm nghiệm trực tiếp của mô phỏng FEM.Cái này đƣợc làm bằng cách thiết kế hai băng ghế thử nghiệm khác nhau, 1 cái để đo mô-men quay dừng và cái khác đo tổn thất không tải ở tốc độ cao. Trong việc thiết lập để đo mô-men quay ở trang thai dừng, một cấu hình không ổ đỡ đƣợc thiết kế, và mô-men đƣợc đo ở phía stator. Điều này cho phép chỉ đo mô- men điện từ, mà không có ma sát ổ trục, nó có khả năng kiểm tra trực tiếp của phân tích FEM. Trong các thiết lập đo tổn hao ở tốc độ cao không tải, việc giảm tốc đƣợc sử dụng để đo tổng tổn hao không tải. Hơn nữa, một phƣơng pháp cho việc tách các tổn thất cơ khí từ những tổn thất điện đƣợc đề xuất Trong bài báo này, điểm nổi bật nhất của [7] và [8] đƣợc tóm tắt bằng cách hiển thị các cấu trúc máy đƣợc đề xuất và tổng hợp các phƣơng pháp mô hình hóa. Các mô hình FEM đƣợc cải tiến để đƣợc nhanh hơn một chút và cũng để chuyển đổi các tổn thất roto đã bị lãng quên trong công việc trƣớc đây. Cho một cấu trúc đơn giản hơn một máy stator nằm ngang nam châm dạng bột đƣợc đặt trên roto đƣợc phân tích, sử dụng một cách tiếp cận toàn diện tƣơng tự, cho việc xác định hơi khác một ít. Máy với hiệu suất tốt nhất đƣợc xây dựng và đánh giá bằng cách sử dụng bàn thử nghiệm đƣợc mô tả trong [8]. Kết quả đo rất tốt để kiểm tra quá trình thiết kế 43
2.2. MÁY STATOR NẰM NGANG A. Mô tả Khái niệm Để máy làm công việc rất nhỏ (ví dụ , cho ngành công nghiệp đồng hồ ) hoặc vì lý do làm việc (ví dụ , cho các mũi khoan nha khoa ) đầu của trục chính có kích thƣớc giới hạn , và động cơ điện đƣợc phép phát triển chỉ theo một hƣớng bên nếu truyền động trực tiếp đƣợc sử dụng . Trong ví dụ về khoan răng, một công việc rất tỷ mỉ ở tốc độ thấp(thƣờng là 40 000 vòng / phút ) các bộ phận của tay nơi đó có đủ không gian truyền động đầu mũi mũi khoan qua một số giai đoạn đƣợc truyền cơ khí nhƣ nhƣ hình . 1 (a) . Các khâu truyền cơ khí giới thiệu thêm trọng lƣợng, tiếng ồn âm Hình 2.1 (a) Các khâu truyền cơ khí của máy tốc độ thấp và tay khoan (b) truyền động trực tiếp của máy stator bên thanh và thiệt hại. Một truyền động trực tiếp loại bỏ sự cần thiết phải truyền tải cơ khí; Tuy nhiên , không gian vào đầu là quá nhỏ đối với một stator mà có thể tạo ra mô-men xoắn mong muốn. Trong trƣờng hợp này , một máy stator bên có thể đƣợc sử dụng nhƣ hình . 1 (b) vì nó làm cho việc sử dụng không gian ở cổ công cụ, mà nếu không sẽ không đƣợc sử dụng. Hai mẫu thiết kế của LSM đƣợc hiển thị trong hình . 2 . Máy hình . 2 (a) đƣợc gọi là xung quanh loại LSM nhƣ Stator bao quanh các rotor . Nó có nguồn gốc từ 44
một 3pha , hai cực , ba khe cắm máy điện với hai lớp tập trung cuộn dây . Hình dạng của stator đƣợc sửa đổi bằng cách di chuyển các cuộn dây từ khu vực nơi không gian bị hạn chế Nhiều không gian hơn cho các cuộn dây là đã đạt đƣợc bằng cách làm cho răng stator dài hơn và mang dòng nam châm vĩnh cửu ra khỏi không gian hạn chế . Máy mô tả trong hình . 2 (b) là một dạng khác của LSM , đƣợc gọi là phần loại LSM , nhƣ stator bên chỉ bao gồm một phần của các rotor . Điều này dẫn đến một rot lớn hơn với số lƣợng cực cao hơn . Một rotor với bốn cực đƣợc sử dụng và sắt che chắn đƣợc thêm vào thiết kế để hƣớng dẫn từ trƣờng của nam châm rotor mà không phải đối mặt với răng stator Nhƣ kết quả mô phỏng của [7] cho thấy , với loại LSM , mô-men quay tăng lên sẽ phải thỏa hiệp giữa sự đơn giản trong cấu tạo rô to khi có nhiều không gian hơn Hình 2.2. Hai mẫu thiết kế của LSM: (a) Stator bao quanh các rotor. (b) phần loại LSM cho nam châm vĩnh cửu và số lƣợng cực tăng lên. Vì lý do đó , trong phần này chỉ có loại máy đƣợc xem xét. Tuy nhiên , nam châm bột đƣợc sử dụng thay vì các nam châm hình vòng cung để dễ dàng xây dựng và một mảnh trục coban - sắt đƣợc sử dụng do độ bền cơ học của nó thay vì một rotor là thép mòng. Các nam châm đƣợc dán trên lõi rotor và mài trên bề mặt ngoài để có 45
đƣờng kính ngoài chính xác. Hình. 3 cho thấy môt LSM đƣợc phân tích trong bài này, theo các thông Hình 2.3. Một loại của LSM đƣợc phân tích trong bài này số hình học đƣợc sử dụng để tối ƣu hóa hình dạng máy . Sắt vô định hình đƣợc chọn là vật liệu lõi stator do tổn hao thấp hơn so với thép điện tiêu chuẩn và mật độ bão hòa cao hơn so với vật liệu ferrite . Nam châm đất hiếm nung chảy đƣợc sử dụng cho rotor để đạt đƣợc một mật độ mô-men quay cao . Một ống titan đƣợc đặt xung quanh nam châm để giữ chúng lại với nhau ở tốc độ cao nhƣ đã đề cập trong [9] và [10] . Rotor đƣợc cân động nhƣ là bƣớc cuối cùng của việc xây dựng rotor B. Đặc điểm kỹ thuật Xu hƣớng trong các ứng dụng máy cỡ nhỏ cho thấy tốc độ từ nhƣ gần bằng không tới tốc độ lên đến 200 000 r / min . Mô-men quay cho máy khoan và máy nghiền tốc độ cao rất bé và nó tạo ra một dòng điện cảm ứng có thể có thể bỏ qua do đó tổn hao đồng đồng cũng có thể bỏ qua. Do đó, chỉ những tổn hao không tải có liên quan cho các hoạt động tốc độ cao của LSM . Đối với các hoạt động ở tốc độ thấp , mô-men quay của 3 mNm đƣợc coi nhƣ là tối thiểu với mục tiêu là để tối đa hóa mô-men quay đối với tổn hao đồng cho trƣớc. Tốc độ phụ thuộc vào thành phần tổn haonhuw tổn hao lõi thép, tổn hao dòng xoáytrong các rotor có thể đƣợc bỏ qua ở tốc độ thấp , và chỉ có những tổn thất đồng đƣợc đƣa vào tính toán . Vì vậy, hoạt động của LSM đƣợc đơn giản hóa bằng cách sử dụng hai điểm hoạt động riêng biệt nhƣ hình . 4 46
Hình 2.4. Đặc tính Momen và tốc độ của ứng dụng máy cỡ nhỏ Đối với mục tiêu ứng dụng cho máy khoan răng, một mô hình nhiệt sơ bộ đƣợc xây dựng để xác định giới hạn tổn hao khi chú ý tới việc sử dụng các bình xịt khí bằng tay để làm mát máy. Đặt nhiệt độ không khí đầu vào đến 25 ◦ C và hạn chế nhiệt độ không khí đầu ra ở 37 ◦ C (vì lý do làm việc ) dẫn đến tổn hao tối đa cho phép là 2,4 W tại tốc độ cao hoạt động định mức là 200 000 r / min . Mặt khác , vì mô-men quay tối đa thƣờng chỉ đƣợc áp dụng trong một thời gian ngắn , khi nghiên cứu nhiệt dung và sơ bộ giả định các chu kỳ truyền động, thì tổn hao đồng cực đại cho phép là 6 W để tránh quá nóng của các cuộn dây 2.3 MÔ HÌNH VÀ TỐI ƢU HOÁ Mô hình phân tích để đánh giá hiệu các tính chất của PM với dạng hình học đơn giản đƣợc đƣa ra trong [11] . Tuy nhiên , quan điểm tiếp cận đƣợc trình bày trong tài liệu này không sử dụng ở đây nhƣ phần bão hòa của stator , từ thông tản và mô-men quay gợn sóng đóng một vai trò lớn trong việc xác định tính chất của các máy stator ngang ; và những hiện tƣợng này không dễ dàng mô hình giải tích trên sự phức tạp về hình học. Vì vậy, FEM đƣợc sử dụng thay vì cách tiếp cận mô hình phân tích để tìm ra máy có tính chất suất tốt nhất . Để có thể đánh giá các máy khác nhau và xác định những ảnh hƣởng 47
các thông số hình học cụ thể lên hiệu suất máy , dạng máy LSM đƣợc tham số hóa nhƣ hình . 3 , nhƣ vậy là một tập hợp các thông số xác định một máy duy nhất. Các thông số này đƣợc tóm tắt trong Bảng I.Mỗi bộ thông số của tệp các thông số này đại diện cho một máy duy nhất định đƣợc đánh giá bằng cách sử dụng 2-D FEA . Lợi thế của một đánh giá đầy đủ nhƣ vậy là sự đơn giản của nó và chắc chắn cho tối ƣu tổng thể trong không gian tham số rời rạc . Hơn nữa, nó mang dữ liệu đƣợc phân phối trên phạm vi toàn bộ tham số , cho phép phân tích độ nhạy cảm phụ thuộc vào bất kỳ tham số và bất kỳ tiêu chuẩn hiệu suất . Các bƣớc rời rạc thể hiện trong Bảng I đƣợc lựa chọn tƣơng đối thô , và kết quả của việc phân tích trong [7] đƣợc đƣa vào bảng tính trong khi thiết lập phạm vi tham số ( đƣờng kính rotor đƣợc gắn cố định với giá trị lớn nhất có thể, sắt che chắn không phải là tham số để đảm bảo đủ che chắn và nhịp giày không đƣợc giảm xuống dƣới một mức nhất định để duy trì một mô-men xoắn ổ mịn ) . Tuy nhiên , sau khi kiểm tra các thủ tục thiết kế , đó là mục đích chính của bài báo này, bƣớc khả quan hơn của rời rạc có thể đƣợc áp dụng cho một phạm vi rộng hơn các thông số để cải thiện thiết kế. Hai mô phỏng phần tử hữu hạn đƣợc thực hiện cho mỗi máy trong phạm vi tham số , một đánh giá hiệu quả của chúng trong tốc độ thấp và một ở điểm hoạt động tốc độ cao nhƣ trong hình . 4 . Đầu tiên, một hình dạng máy đƣợc 48
tạo ra bằng cách chọn các thông số hình học từ các thiết lập thông số rời rạc. Sau đó , tùy thuộc vào dạng máy , tổng diện tích tổng của cuộn dây đƣợc tính toán. Giả sử một hệ số làm đầy đồng là 0,3 , mật độ dòng cao điểm đƣợc tính theo giá trị tổn hao đồng cho ở mục III -A2 . Ba pha , 1200 lệch pha của 3 pha dòng hình sin đƣợc cấp vào cuộn dây . Cuối cùng , mô hình FEM quá độ về thời gian đƣợc giải quyết trong một chu kỳ điện. Mô-men quay đƣợc tính theo nguyên lý ảo và ghi lại. Trong chƣơng trình con mô phỏng không tải , các tính toán đƣợc lặp đi lặp lại khi cho dòng cuộn dây bằng 0 và tổn hao lõi thép máy điện stato ngang và đai thép cũng nhƣ tổn hao dòng điện xoáy trong các rotor đƣợc tính nhƣ mô tả trong Phần III -A1 , Mục III - A3 và ghi A. Mô hình tổn hao 1) tổn hao lõi Core: Các tổn hao lõi đƣợc tính bằng sử dụng phƣơng pháp trình bày trong [ 12 ] bởi vì nó chấp nhận cả từ thông quay không hình sin để tính, và nó chỉ cần các hệ số tổn thất tiêu chuẩn , thƣờng đƣợc cung cấp bởi các nhà sản xuất . 2) tổn hao đồng : tổn hao đồng ở tần số cơ bản có giá giá trị đáng kể ở tốc độ thấp nhƣ đã giả thiết và nó chỉ cần hệ số tổn hao chuẩn đƣợc cung cấp bởi nhà sản xuất. . Với tốc độ định mức khoảng 200 000 r / min , tần số dòng điện truyền động là 6,66 kHz. Ở những tần số này và sử dụng dây dẫn đồng mỏng đối với độ sâu lớp bề mặt , hiệu ứng bề mặt và thiệt hại gây ra bởi từ trƣờng lạc có thể đƣợc bỏ qua và tổng tổn hao đồng đƣợc sử dụng tính toán (1), trong đó nơi Jpis mật độ xung dòng trong cuộn dây , σCu là độ dẫn của đồng và kf là hệ số lấp đầy đồng là yếu tố đồng điền Aw đại diện cho mặt cắt ngang cuộn dây (ví dụ, khu vực của một trong hai hình chữ nhật liền kề giữa hai chân stator trong hình . 3) và lw đại diện cho chiều dài cuộn dây (tức là , tổng chiều dài của cuộn dây xung quanh một chân stator ) . Cả hai Aw và lw phụ thuộc vào các thông số đƣợc đƣa ra trong Bảng I , và chúng đƣợc tính riêng cho mỗi bộ thông số độc lập 49
2 3.J p .Aw.lw PCu = (1) 2.k f . Cu 3) Tổn hao Rotor : Sóng hài không gian và Thời gian của từ trƣờng ở khe hở không khí cảm ứng dòng điện xoáy trong các vật cúng dẫn điện vàtrong rotor máy điện. Để phân tích những dòng điện xoáy chính xác , một mô hình 3-D là cần thiết, vì vấn đề dòng xoáy là một vấn đề 3-D bởi bản chất của nó . Tuy nhiên , 3-D mô phỏng FEM đòi hỏi nhiều thời gian tính toán hơn mô phỏng 2-D. Vì lý do đó đã có những nỗ lực để ƣớc tính tổn thất dòng xoáy chỉ sử dụng mô phỏng, 2-D nhƣ trong [13] . Phƣơng pháp này phụ thuộc vào các giả định về mật độ từ trƣờng đồng nhất trên vật thể nam châm , và điều chỉnh điện trở của nam châm vĩnh cửu theo kích thƣớc của chúng . Phƣơng pháp này đƣợc đề xuất cho các nam châm vĩnh cửu hình chữ nhật. Trong bài báo này , khi dòng đƣợc bỏ qua tại các điểm hoạt động tốc độ cao , chỉ tính dòng xoáy không tải trong rô to. Vi rằng Những dòng xoáy đƣợc cảm ứng trong không gian thẩm từ không đồng nhât . Một giải pháp trƣờng 2 -D đƣợc sử dụng để tính toán dòng điện xoáy , bỏ qua điện trở của nam châm vĩnh cửu . Bằng cách này , việc tính toán đƣợc đơn giản ; Hơn nữa, các dòng điện xoáy tính dự kiến sẽ lớn hơn so với dòng điện xoáy thực sự là ngƣỡng kháng cự cuối đang bị bỏ qua . Đây đƣợc coi là một yếu tố an toàn bổ sung liên quan đến những vấn đề nhiệt , nhƣ làm mát ở các rotor kém và quá nóng có thể khử từ các nam châm vĩnh cửu. Đối với một dây dẫn rắn dòng điện tổng I đƣợc cho trƣớc và phần mềm tính toán với một nguồn dòng, chƣa biết Js theo (2 ), trong đó Ac là chiều rộng của mặt cắt ngang của dây dẫn , JT là tổng mật độ dòng và Ais vector từ thế. dA  dAc Jt dAc It (2) Ac dt Ac Để đánh giá dòng điện xoáy cảm ứng trong rôto, (2) đƣợc giải với điều kiện 50
phụ It =0 trong các vật dẫn của rotor. Cuối cùng tổn hao dòng điện xoáy tính toán khi sử dụng (3) trong đó where Peddy là tổn hao dòng xoáy trong một vật dẫn mà độ dẫn của nó la σ và thể tích là V. 1 J 2dV Peddy = t (3)  V 4) Tổn hao ổ đỡ và tổn hao ma sát không khí : tổn thất ma sát không khí đƣợc tính theo [11] nhƣ 3 4 Pair = c f . . air . .r .z (4) Trong đó ρair là mật độ không khí , ω là tốc độ góc , r là bán kính và z là độ dài của rotor và xem là hệ số ma sát. Khi đƣờng kính rotor, khe hở không khí và chiều dài trục của rotor đềulà hằng số trong công trìnhc này , những tổn thất ma sát không khí cho tất cả các máy trong không gian tham số đƣợc coi là 0,3 W 200 000 r / min . Tổn thất ổ đỡ bị bỏ qua ở giai đoạn ban đầu khi độ dẫn nhiệt từ các ổ đỡ truyền cho phần kim loại của máy là cao thì tổn hao ổ đỡ đƣợc xem xétđể cho không vƣợt quá nhiệt trong các cuộn dây hay nam châm của động cơ. B. Kết quả mô phỏng Trong hình . 5 là , kết quả của các mô phỏng đƣợc hiển thị. Trục x cho tổn thất điện không tải ở tốc độ định mức 200 000 r / min . Khi những tổn thất ma sát không khí bằng cho tất cả máy trong không gian thiết kế, nó bị loại ra khỏi biểu đồ này để đánh giá hiệu quả của từng tham số về các hành vi điện từ của máy đƣợc rõ ràng. Một quan sát cẩn thận hình vẽ này cung cấp cho cái nhìn sâu sắc vào các tính chất điện từ của máy. Ví dụ, nó có thể đƣợc nhìn thấy rằng dƣới một chiều dài stator nhất định, diện tích cuộn dây nhỏ , hạn chế mô- men quay 51
Hình 2.5.Kết quả của các mô phỏng Tuy nhiên , sau một độ dài stator nhất định, một stato dài hơn không cần phải có mô men trung bình lớn điều đó có nghĩa lànghĩa là một mô-men quay cao hơn. Điều này là do sự tăng từ thông tản khi tăng độ dài stato. Trong không gian tham số phân tích ở đây ,việc tăng chiều rộng của chân stato dẫn đến mô- men quay cao hơn và cũng tổn thất không tải cao hơn. Những kết quả xác định từ thông tản và và độ bão hòa của hai chân nhƣ hai yếu tố hạn chế chính của mô-men quay . Hơn nữa, giảm khoảng dày trong mọi trƣờng hợp dẫn đến tăng mô-men quay ở cùng tổn thất không tải , do giảm từ thông tản Từ các máy tạo ra ít tổn thất không tải nhỏ hơn giới hạn không tải 2,4 W (có nghĩa là 2.1 W điện tổn thất không tải nhƣ những tổn thất ma sát không khí là 0,3 W cho tất cả các máy ) , là với giá trị trung bình cao nhất mô-men xoắn ở 6 W đƣợc chọn. Theo mô phỏng, máy lựa chọn có tổn hao rotor 1,67 W, 0.42 W tổn thất lõi và 0,3 W tổn thất ma sát không khí . Khi truyền động 52
với dòng hình sin kết quả trong 6 W tổn thất đồng, nó tạo ra mô-men quay có dạng nhƣ hình . 6 . Hình 2.6 Đặc tính momen của máy điện khi truyền động với dòng hình sin Dòng hình sin đối xứng 3 pha tạo raq mô men có độ gợn sóng lớn do stao có rãnh và bão hòa từ. [7] trình bày một dạng dòng điện để giảm độ gợn sóng của mo men của một LSM khi phải trả giá chút ít về tăng tổn hao đồng. Hình 5 . là kết quả của các mô phỏng . Màu đánh dấu biên giới biểu thị độ rộng trục a ( đỏ 3,5 mm , màu đen 4 mm) , hình vẽ ký hiệu độ rộng của chân biểu thị độ dài l stator ( màu xanh lá cây 10 mm, màu lục lam 15 mm, 20 mm màu vàng , màu trắng 25 mm) , là bắt hình dạng đánh dấu chiều rộng chân w ( 0,8 mm vuông , hình tròn 1 mm, kim cƣơng 1,2 mm , hình tam giác 1,4 mm) và nhịp giày s đƣợc ký hiệu là có hay không có một hình tam giác màu đen ở trung tâm của các điểm đánh dấu (tam giác 40 °. , không tam giác 45 °. ) . Giới hạn mất không tải là 2,1 W và máy lựa chọn đƣợc đánh dấu bằng một vòng tròn. Stator của máy này có thể đƣợc nhìn thấy trong hình . 11 (b) 53
2.4 THIẾT KẾ BÀN THỬ NGHIỆM Sau khi máy đƣợc nhận dạng tốt nhất bởi các mô phỏng đầy đủ trên phạm vi xác định tham số đƣợc xây dựng , một bàn ghế thử nghiệm đƣợc thiết kế để đánh giá mô-men quay khi dừng và không tải và tổn hao của nó ở 200 000 r / min , để xác minh các mô phỏng FEM. Nhiệm vụ đầu tiên của bàn thử nghiệm này là để xác định vị trí các thành phần tích cực của LSM ( rotor , stator, che chắn sắt vv ) một cách chính xác đối với nhau với, nói cách khác, để giữ các vị trí tích cực trong vị trí hoạt đọng của mình Điều này đạt đƣợc bởi các trƣờng hợp máy bao gồm một buồng nhựa và vỏ bọc ở xung quanh nó.stereolithography technique Hình 7 . (a) Sự minh họa buồng chất dẻo và các bộ phận stator . để đơn giản chỉ biểu diễn một nửa của phần 3 , chỉ có một chân stato và cuộn dây đƣợc hiển thị. (b) Ảnh buồng nhựa với máy stator ngang bên trong . Sắt che chắn và chân stator nằm ngang cũng nhƣ các cuộn dây có thể nhìn thấy qua buồng chất dẻo . Buồng chất dẻo đã đƣợc cách điện để đảm bảo rằng không có thêm tổn hao dòng xoáy xảy ra do từ thông rotor hoặc từ thông tản giữa những stator đế . Nó cũng cần đƣợc làm bằng vật liệu phi từ tính để duy trì khe hở không khí của thiết kế. Hơn nữa, nó phải đƣợc gia công bằng máy chính xác để có thể xác định vị trí các bộ phận hoạt động một cách chính xác đối với nhau với . Cuối cùng, nó phải có đặc tính cơ đủ mạnh để chịu đƣợc các lực tác dụng lên các cánh quạt và các bộ phận stator . Thực hiện đầy đủ các yêu cầu này , buồng chất dẻo là 3-D in bằng kỹ thuật chụp ảnh lập thể Buồng chất dẻo gồm bốn phần , giúp các vị trí của stator bên và sắt che chắn . Trong Hình 7 (a), một buồng nhựa đƣợc hiển thị. Để nhìn tốt hơn , chỉ nhìn đƣợc một nửa mặt cắt của phần 3 và phần 2 của buồng chất dẻo và chỉ có một chân của stator ngang đƣợc hiển thị và các cuộn dây bị bỏ qua. Có thể thấy rằng phần 3 của buồng chất dẻo đƣợc sử dụng cho việc sắp xếp các chân stator đối với nhau . Sắt che chắn đƣợc sắp xếp tƣơng ứng với các chân stato ở phần 2 . Khe hở không khí , đƣợc hình thành bởi những mặt tròn của phần 3 và phần 2 không thay đổi khi phần 1 , phần 4 và phần sắt đƣợc đƣa ra . 54
Điều này cho phép tách tổn thất không tải (xem Phần IV-B ) .Phần cuối cuộn dây đƣợc đƣa ra thông qua các không gian trống trên phần 4 [8] . Hình ảnh của buồng chất dẻo cũng nhƣ các bộ phận máy stator ngang có thể thấy trong hình 7 (b) . Đế nhôm xung quanh vị trí buồng chất dẻo (và do đó stator ngang và sắt bao bọc ) ứng với rotor . Các bộ phận bằng nhôm đƣợc thiết kế theo một cách sao cho buồng chất dẻo dễ lấy ra và đặt vào vị trí cũ một cách chính xác mà không cần tháo các vòng bi [8] . LSM , buồng cjhaats dẻo và đế nhôm xung quanh có thể nhìn thấy trong hình 8 . Hình 2.7.(a)Một buồng nhựa đƣợc hiển thị, (b) buồng chất dẻo cũng nhƣ các bộ phận máy stator ngang A. Đo Mô-men quay tĩnh Mô-men quay tức thời của máy PM phụ thuộc vào vị trí rotor và dòng stator nhƣ cho bởi (5), ở đây Tem là mô-men quay i1, i2 , i3 là ba giai đoạn dòng stator còn φ là vị trí góc của rotor . [7] một đặc tính của chức năng này đƣợc hiển thị cho dòng 3 pha hình sin và một vị trí rotor của LSM ( với vòng cung hình nam châm ) . Thiết lập đo mô-men quay tĩnh đƣợc mô tả ở đây để đo chức năng này tại các vị trí tĩnh bằng cách đo mô-men quay phản ứng stator trên cấu trúc không ổ đỡ. 55
Tem = f (i1,i2 ,i3 ,). (5) Đo mô-men quay tĩnh đƣợc thể hiện trong hình .9 khi sử dụng một giản đồ. Trong cách đo này rotor đƣợc gắn cố định vào mặt đất khi sử dụng một thiết bị quay vị vị trí , mà với thiết bị này vị trí góc φ của rotor có thể đƣợc điều chỉnh và cố định. Các bộ phận tích cực của stator ( stator ngang , che chắn sắt và cuộn dây ) đƣợc hỗ trợ với nhau bởi buồng chất dẻo và khung nhôm đƣợc gắn cố định với tấm Hình 2.8. LSM, buồng nhựa và khung nhôm phẳng trên mặt đất thông qua bộ chuyển đổi mô-men quay áp điện. Bộ chuyển mô-men quay đƣợc kết nối với một máy hiện sóng thông qua một bộ khuếch đại. Một khi các bộ phận giữ rotor và stator đƣợc định vị sao cho rotor đƣợc định tâm tại lỗ khoan stator ở nó sẽ trong quá trình hoạt động bình thƣờng với vòng bi đƣợc lắp đặt - thì phản ứng của mô-men quay stator đƣợc ghi lại cùng với dòng stator tức thời cho mỗi vị trí rotor [8] . Sử dụng dữ liệu này, các hàm mô-men quay trong (5) có thể đƣợc tái tạo. Ƣu điểm của cấu hình này là có khả năng đo trực tiếp mô-men quay trên cấu 56
trúc không ổ đỡ , loại bỏ bất kỳ nhiễu nào gây ra bởi các vòng bi. Tuy nhiên , không giống nhƣ dụng cụ đo điện quen thuộc , hiện tựng tích lũy xảy ra khi làm việc với các thiết bị áp điện và vì vậy phép đo tĩnh không bị giới hạn thời gian về cơ bản là không thể. Vì lý do đó , thiết lập này không thể đo lƣờng đọ dao động của mô-men quay của LSM , cũng nhƣ vị trí rotor đƣợc cố định trong các phép đo . Điện áp cung cấp cho các cuộn dây máy trong trƣờng hợp này hoàn toàn là điện áp sin do vậy ảnh hƣởng của đóng mở chuyển đổi đối với mô men quay không đánh giá thể trực tiếp . Tuy nhiên , mô phỏng FEM có thể đƣợc kiểm tra cho điều kiện tải trọng khác nhau với độ chính xác đo cao , đó là mục tiêu chính trong bài báo này. B.Đo lƣờng tổn hao không tải Những tổn hao không tải trong một máy điện là tổn hao tổn hao cơ khí ( tổn hao ke hở, tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát) còn tổn hao điện từ là toonbr hao do dòng xoáy , tổn hao lõi stator và tổn hao do bỏ qua từ thông tản trong cuộn dây) . Khi sử Hình 2.9. Thiết lập đo lƣờng tốc độ cao đƣợc giải thích với sơ đồ khối dụng các thiết lập đo lƣờng tổn hao không tải đƣợc mô tả trong phần này, thì những tổn hao này có thể đƣợc đo và tách biệt . Trong [2] , mô-men quay của 57
một máy điện đƣợc tính bằng cách tăng tốc độ máy tính và ghi lại vị trí góc theo (6 ), trong đó Tm là moment quay tổng đặt trên trục , Jm là quán tính của rotor , ω là tốc độ góc của rotor và t là thời gian d Tm = Jm (6) dt Tƣơng tự nhƣ vậy , nếu máy đầu tiên đƣợc tăng tốc đến một tốc độ nhất định và sau đó nguồn điện bị cắt , mô-men hãm gây ra bởi những tổn thất không tải có thể đƣợc tính bằng cách sử dụng quán tính và giảm tốc độ của máy. Sử dụng thử nghiệm giảm tốc độ này , tổng số tổn hao không tải trong một máy có thể đƣợc đo nhƣ là một hàm của tốc độ. Tuy nhiên , các thành phần khác nhau của tổng số tổn hao không tải không thể tách ra [8] . Trong [14] , một phƣơng pháp khác đƣợc đề xuất để đo tổn hao của một máy nam châm vĩnh cửu . Một rotor giả, trong đó có khích thƣớc giống nhƣ các rotor ban đầu đƣợc xây dựng , nhƣng với nam châm vĩnh cửu ko đƣợc kích từ . Sử dụng rotor giả này , tổn thất điện và tổn thất ma sát cơ khí đƣợc tách ra. Tuy nhiên, tổn thất ma sát ổ bi phụ thuộc chặt vào tải sơ bộ , sự thay đổi của nó là khó tránh khỏi trong khi lắp ráp bàn thử nghiệm hoặc ghép nối máy đƣợc thử nghiệm với máy truyền động. Điều này mang lại một sự không chắc chắn trong cấu trúc của tổn hao ổ bi vào tổng tổn hao không tải . Khi ngiên cứu máy làm việc tốc độ cao năng lƣợng thấp, sự không chắc chắn này không thể bỏ qua Để tách các tổn hao điện từ tổng tổn hao không tải , một phƣơng pháp khác đƣợc đề xuất trong [8] . phƣơng pháp này bao gồm chạy thử nghiệm giảm tốc có và không có stator . Trong hình . 10 , thiết lập đo lƣờng tốc độ cao đƣợc giải thích với sơ đồ khối . Một máy điện siêu cao tốc thƣơng mại từ Celeroton , CM -2- 500, đƣợc sử dụng nhƣ một máy truyền động để tăng tốc độ máy stator ngang với một tốc độ mong muốn. Sau đó, nguồn điện bị cắt , và sức phản điện động( EMF)i của máy truyền động đƣợc ghi với một máy hiện sóng khi giảm tốc . Tốc độ đƣợc tính toán bằng cách sử dụng sức phản điện động 58
EMF . Với tốc độ và quán tính đã biết , tổng số tổn hao không tải của máy và truyền động máy stator ngang có thể đƣợc tính toán. Sau khi chạy thử nghiệm giảm tốc độ trên hệ thống này, đế của bàn thử nghiệm đƣợc tháo ra ở cả hai bên để lấy stator và che chắn sắt ra . Khi các vòng bi không tháo rời , tải sơ bộ và do đó tổn hao ma sát của các vòng bi không thay đổi. Buồng chất dẻo đảm bảo rằng kích thƣớc khoảng cách không khí vẫn nhƣ nhau do đó thiệt hại gio phat ra cũng là nhƣ nhau trong các thiết lập có và không có tato Vỏ bằng nhôm của các máy lồng đƣợc thay thế bằng vỏ nhựa có kích thƣớc tƣơng tự để tránh thêm bất kỳ tổn hao dòng xoáy nào khác khi stator và sắt che chắn đƣợc lấy đi . Một thử nghiệm giảm tốc vào thiết lập này cho phép tính tổng tỏn hao không tải của máy cộng với chỉ tổn hao cơ khí của máy stator ngang. Theo đó, tổn hao điện từ của máy stator ngang có thể đƣợc trích xuất. Hơn nữa, tổn hao gần đúng có thể bằng một phƣơng pháp tƣơng tự , khi chạy thử nghiệm giảm tốc có và không có các cuộn dây xung quanh stato . Trong hình . 11 , là ảnh của các thiết lập Hình 2.11. (a) động cơ truyền dộng và LSM trong buồng chất dẻo. (b) stator và shieding iron trong LSM đo lƣờng tổn hao tốc độ cao đƣợc thể hiện [8] . Trong máy điện , tốc độ giới hạn của rô to có thể là một hệ số giới hạn tốc độ tối đa đạt đƣợc . Do đó, động lực rotor của bàn thử nghiệm đƣợc phân tích bằng cách sử dụng một mô hình 59
FEM 3-D. Tốc độ quan trọng của việc thiết lập đo lƣờng mất tốc độ cao đƣợc thể hiện trong hình 12 Có thể thấy rằng điểm uốn cong đầu tiên là giới hạn tốc độ vƣợt ra khỏi phạm vi tốc độ bình thƣờng của bàn thí nghiệm bị kiểm tra ( 200 000 r / min) ; Tuy nhiên , hai điiểm cứng đầu tiên xảy ra dƣới tốc độ định muywcs của bàn thử nghiệm chất dẻo đƣợc sử dụng với vòng bi tốc độ cao để hạn chế ảnh hƣởng của rung động kích thích ở những tốc độ rất quan trọng. O -ring cũng làm cho việc xây dựng ít nhạy cảm với độ sai lệch trong khi nối máy truyền động vào máy kiểm tra 2.5. KẾT QUẢĐO A. đo momen quay tĩnh Để xây dựng thí nghiệm đo mô-men quay tĩnh , các rotor đƣợc cố định ở góc độ khác nhau dòng 3 pha hình sin đƣợc cấp vào các cuộn dây . Mô-men quay đƣợc ghi lại cùng với các dòng . Vì 3 pha nối sao đƣợc xây dựng ta nghiên cứu trƣờng hợp không có điểm nối sao, chỉ có hai pha dòng điện đƣợc đo . Hình 13 cho thấy các kết quả của phép đo này và mô phỏng FEM 2-D , cho toàn tải và hai vị trí rotor khác nhau. Hình 2.12. Điểm uốn cong đầu tiên là giới hạn tốc độ vƣợt ra khỏi phạm vi 60
tốc độ bình thƣờng của bàn thí nghiệm bị kiểm tra ( 200 000 r / min) Hình 2.13.Các kết quả của phép đo này và mô phỏng FEM 2-D , cho toàn tải và hai vị trí rotor khác nhau B. Phép đo tổn hao không tải Để đo lƣờng những tổn thất không tải , hai thực nghiệm giảm tốc đƣợc thực hiện , một có và một không có các bộ phận tích cực của LSM . Tốc độ ban đầu trong các thử nghiệm đƣợc xác định là 225 000 r / min , cao hơn so với yêu cầu tốc độ tối đa . Lý do là để có kết quả đo trên một phạm vi rộng hơn, khi xem xét một số dữ liệu tổn hao do lọc và làm mịn ở giai đoạn sau chế tạo. Sức phản điện động EMF của máy truyền độnga đƣợc đo trên hai thiết bị đầu cuối của nó và ghi lại khi giảm tốc . Một đƣờng cong hình sin đang giảm là phù hợp cho các số liệu và tần số đƣợc và do đó nhận đƣợc tốc độ.Dạng tốc độ trong hai thí nghiệm giảm tốc đƣợc vẽ trong hình . 14. Các tổn hao cho các thử nghiệm giảm tốc đƣợc tính toán bằng cách sử 61
Hình 2.14.Dạng tốc độ trong hai thí nghiệm giảm tốc dụng dạng tốc độ đã đƣợc tính toán và (6). Sự khác biệt cho những tổn thất điện không tải của LSM , đƣợc thể hiện trong hình . 15 . Có thể thấy trên cùng một hình vẽ kết quả mô phỏng FEM 2-D gây tổn hao không tải cao hơn nhiều so với kết quả đo lƣờng . Để nghiên cứu sự khác biệt này thêm , một mô hình 3-D của máy thử nghiệm đƣợc xây dựng và mô phỏng cho ba tốc độ khác nhau . Kết quả từ các mô hình 3-D thống nhất với các số liệu đo tốt hơn. Điều này xác nhận cách tiếp cận của việc sử dụng mô hình 2-D và xem xét tính toán tổn haonhiều hơn nhƣ một 62
Hình 2.15.Hình vẽ kết quả mô phỏng FEM 2-D gây tổn hao không tải cao hơn nhiều so với kết quả đo lƣờng ,Kết quả từ các mô hình 3-D hệ tố an toàn bổ sung. Tuy nhiên , vì sự khác biệt đo lƣờng là khá cao , các phƣơng pháp nhƣ đƣợc mô tả trong [13] sẽ đƣợc xem xét trong công việc tƣơng lai để có đƣợc kết quả chính xác hơn từ các mô hình 2-D. Sức phản điện động ở EMF 200 000 r / min của LSM đƣợc hiển thị trong hình 16 . Các thuộc tính bất đối xứng của LSM có thể thấy một lần nữa khi EMF của pha giữa khác so với hai pha bên ngoài. Cho mẫu thử nghiệm này số lƣợng cuộn dây stato lần lƣợt là 33 , dẫn đến độ cảm ứng pha là 27μH cho các pha bên ngoài và 36μH cho pha giữa . Điện trở pha là 0.3Ω . Trong các mẫu thử nghiệm đầu tiên hệ số lấp đầy đồng kf thấp hơn so với giá trị giả định kf = 0.3 do các cuộn dây quấn tay bị hỏng , kết quả là điện trở của stator cao hơn. Tuy nhiên , máy nguyên mẫu này có thể đƣợc sử dụng mà không có bất kỳ 63
vấn đề gì cần kiểm tra cho quá trình thiết kế. Hình 2.16.Sức phản điện động ở EMF 200 000 r / min của LSM 2.5 KẾT LUẬN Trong các ứng dụng khoan và gia công với phạm vi tốc độ và mô-men xoắn rộng , nơi không gian đầu của công cụ bị hạn chế truyền động cơ khí nên tránh, công nghệ hiện đại tốc độ cao động cơ nam châm vĩnh cửu không thể cung cấp mô-men xoắn yêu cầu ở mức thấp tốc độ . Do đó, một khái niệm động cơ mới phù hợp cho phần đầu của công cụ này bằng cách mở rộng stator sang một bên đƣợc mô tả trong bài báo này . Do hình học phức tạp của máy , mô hình FEM tham số đƣợc sử dụng, cho phép lựa chọn một máy lý tƣởng liên quan đến đặc điểm mô-men xoắn và tổn hao. Một trục chính đã đƣợc lựa chọn nhƣ là một mục tiêu ứng dụng ví dụ, và các mô phỏng xác định máy lý tƣởng mà có thể cung cấp 5,4 MNM mô-men xoắn ở tốc độ thấp và chỉ có 2,1 W tổn hao không tải 200 000 r / min Các LSM đƣợc gắn vào một bàn thử nghiệm dự bị có thiết kế đƣợc mô tả chi tiết . Sử dụng bàn thử nghiệm này , mô-men xoắn của máy có thể đƣợc đo mà không có ma sát mang ; Do đó, việc phân tích FEM có thể đƣợc xác nhận trực tiếp . Trong một thiết lập thử 64
nghiệm sửa đổi, tổng số tổn hao không tải bao gồm các tổn hao điện và cơ khí của máy có thể đƣợc đo . Đo kiểm tra các thủ tục thiết kế máy. Công việc trong tƣơng lai bao gồm sửa đổi các mô hình mất rotor 2-D nhƣ vậy mà họ chiếm hiệu ứng 3- D cho các tính toán tổn thất rotor chính xác hơn. Mô hình nhiệt hơn chi tiết và kiểm tra nhiệt độ tăng sẽ đƣợc sử dụng để xác minh các hạn mức lỗ giả định cho ứng dụng ví dụ đƣợc đƣa ra . Kiểm tra tuổi thọ lâu dài sẽ đƣợc thực hiện để kiểm tra nhƣ thế nào vòng bi cƣ xử dƣới các lực lƣợng không cân xứng tác động lên các rotor, đó là một tài sản nội tại của LSM . 65
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MÁY ĐIỆN TỐC ĐỘ CAO: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ NHƢNG THỎA HIỆP 3.1 KHÁI NIỆM Trong thập kỷ qua, các ứng dụng đƣợc áp dụng điều khiển tốc độ cao (HS ) ngày càng tăng, đặc biệt là các giải pháp điều khiển trực tiếp .Điều khiển trực tiếp , loại bỏ truyền động cơ khí, có nhiều lợi thế tiềm năng , ví dụ nhƣ giảm trọng lƣợng, tăng hiệu quả toàn bộ hệ thống , bảo trì, và giảm hỏng hóc. Trong tài liệu , một số bài báo giải quyết máy điện tốc độ cao với các ứng dụng khác nhau, với công suất định mức khác nhau, từ một vài watt cho dụng cụ cầm tay di động lên đến hàng trăm kW cho các nhà máy điện phân phối hoặc máy phát điện trên tàu và máy bay. Cho dù là những ứng dụng mà các máy điện tốc độ cao đƣợc chấp nhận,những máy điện anyf đƣợc đặc trƣng bởi nhiều đòi hỏi có tính thách thức nhƣ mức độ nhỏ gọn và nhẹ . Trong máy khoan cầm tay nha khoa và các công cụ phẫu thuật y tế, lợi thế chính của các máy điện HS đối với khía cạnh đối với công cụ khí nén thông thừơng liên quan đến độ chính xácsự thay đổi tốc độ của nó và điều khiển mô-men . Trong lĩnh vực này , tốc độ quay cao hơn cho hiệu suất cao hơn trong điều kiện của tốc độ cắt và giảm đƣờng kính mũi khoan , cũng nhƣ một thiết kế gọn nhẹ hơn [ 1 ], [2 ] . Ngày nay, máy điện HS cũng đƣợc áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng vận tải đƣờng bộ có yêu cầu nhỏ gọn và nhẹ. Đƣợc báo cáo trong [2] và [3] là những đặc điểm chính của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ( PMSM ) 12 kW 120 000-r/minvà một động cơ từ trở (SRM)6,5 kW 14 000-r/min cho máy nén khí thùng nhiên liệu ô tô . Một số ví dụ về các turbo tăng áp ô tô và máy phụ trợ trong khoảng vài kW với tốc độ quay lên đến 200 000 r / min . Các đặc tính chi tiết của máy điện dị bộ (IM) 66
10 kW 75 000-r/min hỗ trợ turbo tăng áp đƣợc mô tả trong [4] . Đặc biệt, các tác giả dựa trên thiết kế của họ trong môi trƣờng khác nhau để xem xét các khía cạnh về điện , cơ khí, và nhiệt để có đƣợc các tài liệu vận dụng gần với thƣc tiễn hơn với giới hạn nhiệt và cơ khí của họ Để tăng cƣờng tiết kiệm nhiên liệu , việc áp dụng điều khiển trực tiếp bánh đà tích trữ năng lƣợng bằng máy HS đƣợc đề xuất ; những ƣu điểm và nhƣợc điểm của những cấu trúc khác nhau đƣợc trình bày trong [ 5 ] ,khi nghiên cứu cà kích từ theo trục và bán kính. Đối với mẫu thiết kế thử 25 kW 50 000- r/min, 2 stato kích từ theo trục đã đƣợc chọn vì những lý do cơ học. Một hệ thống động cơ / máy phát điện nam châm vĩnh cửu ( PM ) 3 kW 60 000-r/min có trang bị bánh đà đƣợc phát triển bởi NASA cho các ứng dụng hàng không vũ trụ đƣợc trình bày trong [6] . Nhẹ và rắn chắc trở nên quan trọng hơn của vận chuyển hàng không trong tƣơng lai. Các máy HS khác nhau đƣợc đề xuất cho máy phát điện trên tàu ,ở đó PMSMs và SRMs là lựa chọn tốt nhất [7] - [9]; các PMSMs thể hiện mật độ năng lƣợng và hiệu quả cao nhất, trong khi SRM thể hiện cơ học và nhiệt cao hơn trong môi trƣờng khắc nghiệt . Dải công suất cho ứng dụng này có thể lên đến 250-300 kW , với tốc độ quay thƣờng trong khoảng 5000-30 000 r / min Máy điện HS cũng đƣợc áp dụng cho máy bơm nhiệt, máy làm lạnh , quạt gió, và hệ thống điều hòa không khí ; một số ví dụ về động cơ dị bộ IMs và PMSMs cho máy nén ly tâm có thể tìm thấy trong [2] . Trong các ứng dụng này , công suất thừơng nằm trong khoảng vài hàng chục kW lên đến vài trăm kW và tốc độ trong khoảng 50-100 000 vòng / phút , ƣu điểm của các máy điện dị bộ IMs là khả năng hoạt động mà không cần cảm biến [1] , [3] . Các đặc điểm thiết kế chính của PMSMs tốc độ cao cho các ứng dụng quạt / máy nén đƣợc báo cáo trong [4] và [5] , trong đó mô tả bề mặt lắp đặt PM 15 kW 120 000-r/min và giải pháp bên trong PM (IPM) 8 kW 40 000-r/min . Máy bơm phân tử cũng là một ứng dụng có nhu cầu tăng tốc độ cao(HS) một cách 67
liên tục. Một máy dị bộ (IM) 500 -W 31 800-r/min đƣợc trình bày trong [ 6 ], ở đó các tác giả đã thấy trong một tuơng lai gần ứng dụng này sẽ đạt đuợc mục tiêu 100 000 r / min. Trong [7] , IM đƣợc thiết kế cho một bơm phân tử turbo 150 -W 75 000-r/min đạt hiệu suất cao hơn so với một động cơ kéo. Trong sản xuất điện , điều khiển trực tiếp tốc độ cao (HS) dự kiến cho các ứng dụng từ một vài watt lên đến hàng trăm kilowatt . Ví dụ, trong [8] , các tác giả tiến hành làm thí nghiệm trên mẫu thử PM 100 W 500 000-r/min để phát điện cho các thiết bị di động , trong khi đó [ 9 ] và [ 10 ] mô tả các đặc điểm của một cho máy IM phát điện phân phối có công suất 4,5 - kW 90 000- r/min và PMSM 100 kW 100 000-r/min Trong các ứng dụng trục chính, HS( tốc độ cao) là cần thiết để loại bỏ những loại có thể tích lớn , đồng thời bảo đảm độ cứng , độ bền cơ học cao và giảm biến dạng cho cả hƣớng bán kính và hƣớng của trục [9 ] . Các trục chính về mặt lịch sử đóng vai trò tiên phong trong lĩnh vực điều khiển trực tiếp HS , và có một loạt các ví dụ , từ PMSM 5 kW 150 000-r/min cung cấp bởi một biến tần nguồn dòng [12] một máy IM 7,5 - kW 30 000-r/min [13] , [14] và SRM 100 -W 750 000-r/min cho máy cỡ nhỏ đã trình bày trong [ 15 ] . Trong tài liệu , việc phân loại các máy điện " HS " và " siêu HS " có chức năng của cả công suất định mức và tốc độ quay , và một số công thức để xác định một các đƣờng đặc tính đƣợc trình bày trong [ 12 ] - [ 14 ] . Tốc độ quay tối đa đƣợc giới hạn bởi các tác động cơ học vào các bộ phận quay , cũng nhƣ các vấn đề về điện và nhiệt bắt nguồn từ việc tăng tần số. Mặc dù điện tử công suất và vấn đề điều khiển là trọng tâm trong bài báo này, nó có thể đƣợc nhấn mạnh ngoài ra theo huớng nào đó máy điện tốc độ cao(HS) đã bị hạn chế phát triển trong một thời gian dài ; máy quay tốc độ cao hơn, cao hơn nữa là tần số cơ bản ,và do đó tần số đóng ngắt của các thiết bị điện tử công suất . Ngoài ra, thời gian tính toán có thể là một lối thoát trong việc sở hữu , xây dựng , và tạo ra các tín hiệu cho chiến lƣợc điều khiển 68
tần số cao ; Hơn nữa , phƣơng pháp xác định khô dùng cảm biến vị trí rotor cần đƣợc nghiên cứu để tránh những hạn chế của việc sử dụng trục dài (tốc độ giới hạn thấp hơn) và độ tin cậy thấp hơn của truyền động [2] . Tuy nhiên , trong những năm gần đây , sự phát triển không ngừng của nhiều loại linh kiện điện tử hiện đại và tiếp tục cải tiến giải thuật điều khiển đã góp phần làm tăng tốc độ giới hạn của máy điện. Bài viết này nhằm mục đích tổng kết các giải pháp liên quan đến máy điện tốc độ cao(HS) trong thực tế và đƣợc nêu trong các tài liệu kỹ thuật và có giá trị trong ứng dụng thƣơng mại , khi đã nêu rõ những thách thức chính của chúng , đặc biệt là trong các ứng dụng trục chính. Cũng đƣợc biết rằng kích thƣớc điện trong thiết kế máy điện không liên quan đến cơ học và nhiệt . Tuy nhiên , với tốc độ thông thƣờng, một số thiết kế ban đầu có thể đƣợc chọn và sau đó đƣợc khi kiểm tra trong bƣớc thứ hoàn toàn ngƣợc lại ở HS nơi cơ học ( và nhiệt) liên hệ chặt chẽ với nhau nên cần thiết phải giải quyết tất cả các vấn đề khác nhau cùng một lúc. Ví dụ, trong thiết kế máy tốc độ thông thƣờng, tỷ lệ giữa đƣờng kính rotor và chiều dài rotor bằng một trong thông số tự do lựa chọn của các nha thiết kế, trong khi đó ở HS , các vấn đề động lực học rotor buộc các nhà thiết kế nghiên cứu trong phạm vi hẹp . Bài viết này nhằm mục đích xác định công suất so với tốc độ, làm nổi bật những vấn đề thiết kế chính của máy điện HS 3.2 ỨNG DỤNG TRỤC ĐIỆN Dải công suất và tốc độ giới hạn trong các ứng dụng trục chính biến đổi từ 9000 vòng / phút lên đến 180 000 r / min và công suất tƣơng ứng từ 24 kW xuống 1 kW . Xu hƣớng đáp ứng công suất cho các ứng dụng mài ở tốc độ khác nhau đƣợc mô tả bằng sơ đồ trong Hình 1 . Tuy nhiên sự phát triển của công nghệ trong sự tiến hóa do những yêu cầu không thể tránh khỏi từ ngành công nghiệp cơ khí để tăng giới hạn tốc độ lên đến 300 000 r / min và cao hơn nữa cho các ứng dụng rất đặc biệt [ 2], [ 13 ], [ 15 ] . Các ứng dụng trục điện có thể đƣợc chia thành hai phần chính, cụ thể là cán và mài . Tốc độ tối đa đạt 69