Tiến Sĩ Nghiên cứu cải thiện đặc tính lực động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính.

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
NĂM 2012

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Mục lục . iv
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt . viii
Danh mục các bảng biểu . xii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị xiv
Mở đầu . 1
1. Tính cấp thiết của đề tài . 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . 4
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5
4. Phương pháp nghiên cứu . 6
5. Nội dung của luận án . 6
6. Dự kiến các kết quả nghiên cứu mới . 7

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các phương
pháp nghiên cứu động cơ điện tuyến tính hiện nay

1.1. Giới thiệu chung về động cơ tuyến tính . 10
1.2. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trên thế giới . 13
1.3. Tình hình nghiên cứu động cơ điện tuyến tính trong nước 21
1.4. Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả 22
Kết luận chương 1 23

Chương 2: Khái quát chung về kiến thức cơ bản và thuật toán
thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên

2.1. Đặt vấn đề 24
2.2. Cơ sở lý thuyết chung . 26
v
2.2.1. Vận tốc dài đồng bộ . 26
2.2.2. Hệ số trượt . 27
2.2.3. Sức điện động cảm ứng . 27
2.2.4. Mô hình động cơ KĐB tuyến tính đơn biên thiết kế 28
2.2.5. Dây quấn 30
2.2.6. Mô hình mạch điện tương đương 33
2.2.7. Các thành phần lực trong động cơ . 36
2.2.8. Hiệu suất 38
2.3. Thuật toán thiết kế động cơ KĐB ba pha tuyến tính đơn
biên không xét đến các thành phần hiệu ứng 38
2.4. Kết quả tính toán cụ thể 40
Kết luận chương 2 43

Chương 3: Xây dựng mô hình thực nghiệm động cơ không đồng
bộ ba pha tuyến tính đơn biên .

3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm 44
3.2. Thí nghiệm trên mô hình . 47
3.2.1. Đo vận tốc của động cơ bằng encoder . 47
3.2.2. Đo lực trên mô hình thực nghiệm 49
3.2.3. Đặc tính cơ của động cơ 51
Kết luận chương 3 . 54

Chương 4: Xây dựng mô hình trường động cơ không đồng bộ
ba pha tuyến tính đơn biên

4.1. Đặt vấn đề 55
4.2. Cơ sở lý thuyết của trường điện từ 56
4.2.1. Hệ phương trình Maxwell . 56
4.2.2. Thiết lập mô hình – phân loại mô hình 58
4.3. Mô hình trường điện từ của động cơ KĐB tuyến tính 60
4.4. Phương pháp giải bài toán theo mô hình trường điện từ . 62
4.5. Ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn FEMM để giải bài
toán trường động cơ KĐB tuyến tính
64
4.5.1. Vài nét về phần mềm FEMM 64
4.5.2. Xây dựng mô hình trường động cơ KĐB tuyến tính
đơn biên trên phần mềm FEMM . 65
4.5.3. Nghiên cứu từ trường trong động cơ KĐB tuyến tính thiết kế .
4.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc tính lực
của động cơ KĐB tuyến tính
4.5.4.1. Ảnh hưởng của độ rộng khe hở không khí 77
4.5.4.2. Ảnh hưởng của độ dày tấm nhôm phía thứ cấp . 79
4.5.4.3. Ảnh hưởng của cấu trúc răng rãnh của lõi thép . 80
4.5.4.4. Ảnh hưởng của độ rộng lõi thép phần sơ cấp 82
4.5.4.5. Ảnh hưởng của dòng điện đặt vào dây quấn sơ
cấp 83
4.5.4.6. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu làm tấm dẫn điện
4.5.5. So sánh lực theo mô hình trường và mô hình mạch 85
Kết luận chương 4 . 87
Chương 5: Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu động cơ không
đồng bộ ba pha tuyến tính đơn biên đảm bảo về lực và giảm
thiểu ảnh hưởng hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy .
5.1. Mô hình mạch điện tương đương động cơ KĐB tuyến
tính có xét đến thành phần hiệu ứng đầu cuối và dòng xoáy .

5.2. Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số cơ bản trong thiết
kế đến hệ số hiệu ứng đầu cuối 94
5.3. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu thông số động cơ theo
giá trị lực yêu cầu và có xét đến yếu tố cực tiểu hệ số kHU 101
5.3.1. Phương pháp thành lập bài toán 101
5.3.2. Thành lập bài toán thiết kế tối ưu 102
5.3.3. Lựa chọn phương pháp giải . 107
5.3.4. Xây dựng thuật toán thiết kế tối ưu . 107
5.3.5. Kết quả . 111
5.3.6. Tính kiểm tra lại trên mô hình FEM 2D 116
5.4. Tổng hợp kết quả tính toán và bàn luận . 118
Kết luận chương 5 119
Kết luận 121
Danh mục các công trình đã công bố của luận án . 123
Tài liệu tham khảo 124
Phụ lục 1: Một số hình ảnh về mô hình thực nghiệm . 131
Phụ lục 2: Khảo sát từ trường tản phần thứ cấp của động cơ KĐB ba
pha tuyến tính
134
Phụ lục 3: Sự tương đương của thành phần dòng điện ngang trục
Ids và dòng điện từ hóa Im .
137

1. Tính cấp thiết của đề tài:
Động cơ tuyến tính (còn gọi là động cơ truyền động thẳng) về bản chất
là động cơ xoay chiều quay thông dụng. Tuy nhiên chúng được thiết kế để tạo
nên chuyển động tịnh tiến. Trên thế giới, động cơ tuyến tính đang được phát
triển trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn trong các cơ cấu truyền động tịnh tiến,
trong các phương tiện giao thông như đầu máy xe điện, tàu điện ngầm. Có thể
kể ra một số ứng dụng điển hình:
- Tàu điện nhanh sân bay JFK Newyork (2003)
- Tuyến metro 4 Quảng Châu (2005)
- Tàu điện nhanh sân bay Bắc Kinh (2008)
- Green Line Yokohama – Nhật Bản (2008)
Hình 1: JFK Newyork (từ Wikipedia) [55]
Hình 2: Green Line Yokohama – Nhật Bản (từ Wikipedia) [55]

- Đặc biệt tàu đệm từ sử dụng động cơ điện tuyến tính giữa sân bay và
trung tâm Thượng Hải có tốc độ 500 km/giờ. Tàu đệm từ HSST Limo
line ở Aichi Nhật bản năm 2005.
- Trong một số lĩnh vực gia công kim loại, truyền động cần trục, thang
máy, máy nén, thiết bị khoan lỗ giếng dầu đều sử dụng động cơ điện
tuyến tính.
- Việc điều khiển tự động máy công cụ kỹ thuật số CNC, điều khiển tay
máy Robot, máy nâng hạ, điều khiển các hệ thống sản xuất linh hoạt
FMS yêu cầu cao về độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh.
Động cơ điện tuyến tính trong hệ thống này có khả năng cạnh tranh
với hệ thống servo [57].
Hình 3: Ứng dụng động cơ tuyến tính trong gia công kim loại và robot
- Trong quân sự hệ thống phóng máy bay điện từ bằng động cơ điện
tuyến tính thay cho cơ cấu phóng bằng khí nén kinh điển.
Động cơ tuyến tính ngày càng được quan tâm và tỏ ra cạnh tranh trong
nhiều lĩnh vực. Theo thống kê [40] cho thấy khả năng phát triển động cơ
tuyến tính trong lĩnh vực giao thông là rất lớn, tập trung chủ yếu ở Trung
Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đức, Mỹ, Dự kiến đường sắt cao tốc sử dụng
động cơ tuyến tính đến năm 2025 toàn thế giới có tổng cộng 41.774km. Tổng
cộng trên toàn thế giới có khoảng 13.414km đường sắt cao tốc đang vận hành,
10.781km đang xây dựng và 17.579km đang được lên kế hoạch. Đến năm
2030, sẽ có một hệ thống tàu cao tốc kết nối toàn bộ châu Âu. Trong các hệ
truyền động tuyến tính, động cơ tuyến tính dẫn đầu một cuộc cách mạng công
nghiệp mới về khả năng đáp ứng độ chính xác vị trí, tốc độ và tác động nhanh
[56], [59], [60].
Động cơ điện tuyến tính có giá thành còn cao hơn động cơ quay thông
dụng nhưng lợi ích mà nó mang lại rất lớn. Ông Dan Jones - chuyên gia tư
vấn điều khiển chuyển động của Thousand Oaks, Calif nói: “Tỷ số giữa chi
phí và hiệu suất làm cho hệ thống dùng động cơ tuyến tính có giá trị tốt hơn
rất nhiều” [61]. Tuy nhiên gần đây, giá thành đã giảm đáng kể bởi vì số lượng
động cơ truyền động thẳng được chế tạo tăng nhiều. Nhiều nhà sản xuất đã
đầu tư mạnh mẽ vào dây chuyền công nghệ, các trang thiết bị hiện đại cho sản
xuất động cơ truyền động thẳng. Số lượng các hãng sản suất tăng lên rất
nhanh trong bốn năm qua từ 4 đến 30 hãng sản xuất đã tạo ra môi trường cạnh
tranh góp phần vào việc giảm giá thành của động cơ.
Ở Việt Nam, theo quyết định số 1696/QĐ-BKHCN ngày 16 tháng 8
năm 2007 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ, động cơ điện tuyến tính
được đưa vào danh mục các đề tài thuộc chương trình Khoa học và công nghệ
trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2006-2010 với tên đề tài: “Nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo động cơ tuyến tính xoay chiều ba pha, phục vụ các ứng
dụng tính năng cao của công nghiệp và quốc phòng”. Mục tiêu nhằm tiến đến
làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo động cơ tuyến tính.
Và theo đề án: “Đổi mới công nghệ công nghiệp sản xuất phục vụ
chuyển dịch cơ cấu công nghiệp trên địa bàn thành phố” của Sở Khoa học và
Công nghệ Tp.Hồ Chí Minh [58], đưa ra chương trình hỗ trợ doanh nghiệp
đổi mới công nghệ. Trong đó có giới thiệu về động cơ tuyến tính và các ứng
dụng của nó đến các nhà khoa học và doanh nghiệp trên địa bàn Tp.Hồ Chí
Minh, đồng thời khuyến khích các doanh nghiệp tiếp cận công nghệ mới này
và đổi mới công nghệ nhằm đem lại nhiều lợi ích cho nền công nghiệp.