Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ Servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.pdf

Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ Servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.pdf
B O Ộ GIÁO DỤ Ạ C VÀ ĐÀO T TRƯỜ Ạ Ọ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒ Ộ Ồ NG B 3 PHA ROTOR L NG SÓC LUẬN ÁN TIẾ Ỹ N SĨ K THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 22 20
B O Ộ GIÁO DỤ Ạ C VÀ ĐÀO T TRƯỜ Ạ Ọ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Bắc NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒ Ộ Ồ NG B 3 PHA ROTOR L NG SÓC Ngành: K n ỹ thuậ ệ t đi Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾ Ỹ N SĨ K THUẬT ĐIỆN NGƯỜ Ớ I HƯ NG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG 2. TS TRẦN TUẤN VŨ Hà Nội – 22 20
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày năm 19 tháng 01 2022 Người cam đoan Nguyễn Đức Bắc TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Thế Công TS. Trần Tuấn Vũ
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, của các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện điện tử Trường Đại học - - Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành. Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Nguyễn Thế Công và TS. Trần Tuấn Vũ luôn dành nhiều công sức, tâm huyết, thời gian và tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện điện tử, Viện Điện và Phòng - Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới toàn thể thầy, – cô giáo Bộ môn Điện kỹ thuật Trường Đại học Xây dựng, nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ để tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lưu Đức Thạch Trưởng Khoa Cơ khí – Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án. Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới bố mẹ, vợ, các con và gia đình đã luôn động viên về tinh thần trong những lúc khó khăn nhất để tác giả yên tâm nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Đức Bắc
iii MỤC LỤC L .................................................................................. 1 ỜI CAM ĐOAN L I C ........................................................................................ii Ờ ẢM ƠN M C L C.............................................................................................iii Ụ Ụ DANH M C CÁC KÝ HI U ............................................................... v Ụ Ệ DANH M C CÁC CH VI T T T ..................................................vii Ụ Ữ Ế Ắ DANH M C CÁC B NG BI U .......................................................viii Ụ Ả Ể DANH M C CÁC HÌNH V ..............................................................ix Ụ Ẽ M U.................................................................................................................... 1 Ở ĐẦ CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 4 1.1 T ng quan v ....................................................................... 4 ổ ề động cơ servo Phân lo ..................................................................4 ại động cơ servo Ứ ụ ủa động cơ servo ng d ng c ........................................................... 4 Các chế độ ệ ủa động cơ làm vi c c .................................................... 5 S khác bi t gi ng ...................... 9 ự ệ ữ ộng cơ servo và động cơ thườ a đ 1.2 Các nghiên c u v thi t k t ..................................... 10 ứ ề ế ế ối ưu động cơ servo 1.3 K t lu .................................................................................... 13 ế ận chương 1 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA.......................................................................................................................... 15 2.1 Thi t k t ............................................... 15 ế ế ối ưu đa mục tiêu động cơ servo Lý thuy t t ............................................................................. 15 ế ối ưu T ......................................................................... 16 ối ưu đa mục tiêu Ứ ụ ối ưu đa mục tiêu động cơ servo ng d ng t ................................. 25 2.1.3.1. Thông s k thu t yêu c u thi t k .............................................27 ố ỹ ậ ầ ế ế 2.1.3.2. Xây d ng bài toán thi t k ng b ự ế ế ối ưu động cơ servo không đồ t ộ 3 pha ................................................................................................................27 2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu............................................................... 31 2.2 Mô ph ng ph n t h n.......................................................................34 ỏ ầ ử ữu hạ Lý thuy t nghiêng rãnh rotor......................................................... 34 ế Mô ph ng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh th ng.................... 35 ỏ ẳ 2.3 K t lu .................................................................................... 39 ế ận chương 2 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO ...................................41 3.1 Phân tích nhi ...................................................................41 ệt trong động cơ
iv Đặ ấn đề t v ......................................................................................41 Nguyên truy n nhi t và d n nhi ...... 42 lí cơ bản về ề ệ ẫ ệt trong động cơ 3.1.2.1. Phát nóng và làm ngu i trong v ng nh t ........................ 43 ộ ật thể đồ ấ 3.1.2.2. Độ ệt độ ề ớp cách điệ chênh nhi theo chi u dày l n ........................ 43 3.1.2.3. T n nhi t trên b m t .................................................................. 44 ả ệ ề ặ 3.2 Mô hình phát nhi t c ............................................................... 46 ệ ủa động cơ Đặ ấn đề t v ......................................................................................46 Mô hình nhi t c ............................................................ 46 ệ ủ ộng cơ a đ 3.3 nhi t nh........................................ 48 Tính toán độ tăng nhiệt ở chế độ ệ ổn đị 3.4 Mô ph ng nhi ........................................................................... 49 ỏ ệt động cơ K t qu mô ph t t m làm vi c liên t c....................... 50 ế ả ỏng nhiệ ại điể ệ ụ K t qu mô ph t t m làm vi n h n.................... 53 ế ả ỏng nhiệ ại điể ệc ngắ ạ 3.5 K t lu .................................................................................... 55 ế ận chương 3 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................. 57 4.1 t v ................................................................................................. 57 Đặ ấn đề 4.2 Xây d ng mô hì u th ..................................................57 ự nh 3D động cơ mẫ ử 4.3 Ch t u th .......................................................................... 60 ế ạo động cơ mẫ ử 4.4 Th nghi .................................................................................62 ử ệm động cơ 4.5 K t qu th nghi m và so sánh v i mô ph ng ......................................... 63 ế ả ử ệ ớ ỏ K t qu n t t s m ho ng............63 ế ả đo mômen, dòng điệ ại mộ ố điể ạt độ K t qu ............................................................... 72 ế ả đo nhiệt động cơ 4.6 K t lu .................................................................................... 77 ế ận chương 4 K T LU N VÀ KI N NGH ............................................................. 78 Ế Ậ Ế Ị ĐÓNG GÓP MỚ Ủ Ậ I C A LU N ÁN....................................................79 HƯỚ Ể ỦA ĐỀ NG PHÁT TRI N C TÀI ............................................... 80 TÀI LI O.................................................................... 81 ỆU THAM KHẢ DANH M ...........................89 ỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ PHỤ Ụ L C A......................................................................................... 90 PHỤ Ụ L C B .......................................................................................100 PHỤ Ụ L C C .......................................................................................109 PHỤ Ụ L C D......................................................................................... 99 PHỤ Ụ L C E ....................................................................................... 111
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hi u Mô t ệ ả W Kh i n t c ố lượng điệ ừ ủa động cơ D ng kính trong stator Đườ L Chi u dài m ch t ề ạ ừ s T n s t ầ ố trượ V n áp dây Điệ n Tốc độ động cơ f T n s dòng stator ầ ố Tm Mômen động cơ Is Dòng điện stator   Sóng hài sức điện động Bm M t thông ật độ ừ v V n t ti p tuy n rotor ậ ốc ế ế τ Bướ ự c c c ξ ả ữa điểm đầu và điể ố ủ Kho ng cách gi m cu i c a thanh rotor pCu T n stator ổn hao đồng trên dây quấ pAl T ng trên thanh d n rotor ổn hao đồ ẫ p T tr ổn hao sắt trong stator và rotor do từ ễ và dòng điện xoáy của từ trườ ắ ng chính sinh ra trong lõi s t p. T t gió ổn hao cơ do ma sát, quạ pstray T n hao ph ổ ụ
vi C Nhi t dung riêng c t th ệ ủa vậ ể α ệ ố ả ệ ủ ề ặ ậ ể H s t n nhi t c a b m t v t th nóng θ Độ chênh nhiệt độ gi m ữa bề ặt vật thể nóng với môi trường xung quanh θ0 u Độ tăng nhiệt ban đầ θ∞ Nhi t bão hòa ệ T H ng s phát nóng ằ ố Q Nhi ng ệt lượ Sc Ti t di n c ng truy n dòng nhi t ế ệ ủa đườ ề ệ λc H s d t c t li n ệ ố ẫn nhiệ ủa vậ ệu cách điệ δc Chi u dày l n ề ớp cách điệ R Nhi t tr ệ ở αo H s t n nhi t b m ệ ố ả ệ ề ặt trong môi trường tĩnh v T dòng không khí ốc độ k H s n s chuy n d ch dòng không khí ệ ố tính đế ự ể ị R Nhi t tr c m t t n nhi t ệ ở ủa bề ặ ả ệ Rcd Nhi t tr n ệ ở cách điệ RFe Nhi t tr b m t lõi s t ệ ở ề ặ ắ RCu Nhi t tr ệ ở b m t ph u n i ề ặ ần đầ ố   Độ tăng nhiệt độ ủ ấ c a dây qu n   Độ tăng nhiệt độ ủ ắ c a lõi s t stator
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ch vi t t t Ti ng Anh Ti ng Vi t ữ ế ắ Nghĩa ế Nghĩa ế ệ 1 SQP Sequential Quadratic Programming Quy hoạch đa thức bậc 2 2 GA Genetic Algorithms Thu t toán di truy n ậ ề 3 Particle Swarm Optimization PSO Phương pháp tối ưu bầy đàn 4 A Finite Element Analysis Phân tích ph n t h n FE ầ ử ữu hạ 5 AC n xoay chi u Alternating Curent Dòng điệ ề 6 DC Direct Curent t chi u Dòng điện mộ ề 7 EMF Electromotive force S ng ức điện độ 8 IEC International Electrotechnical Commission Ủ ỹ ật điệ ố ế y ban k thu n qu c t
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU B c tính làm vi ............................................................ 6 ảng 1.1. Các đặ ệc của động cơ B ng 2.1. K t qu áp d ng thu t toán SQP.............................................................. 22 ả ế ả ụ ậ B ng 2.2. K t qu hàm m c tiêu f ả ế ả ụ 1(x) và f2(x)......................................................... 24 B m t ảng 2.3. Kết quả ột số thông số chính của thiết kế ối ưu động cơ servo không đồ ộ ng b ..................................................................................................................... 31 B ng 2.4. L c làm mát và m n [62]...................... 32 ả ựa chọn phương thứ ật độ dòng điệ B ng 2.5. Giá tr nh p nhô theo góc nghiêng rotor ........................... 36 ả ị mômen và độ ấ B ng 3.1. Nhi gi ng n....................................... 42 ả ệt độ ới hạn tương ứ các cấp cách điệ B ng 3.2. H s t n nhi t b m t ................................................ 45 ả ệ ố ả ệ ề ặ ở môi trường tĩnh B ng 3.3. Nhi bão hòa m t s b ph ng h p n p h .......... 52 ả ệt độ ộ ố ộ ận động cơ với trườ ợ ắ ở B ng 4.1. Thông s ............................................................ 58 ả ố kích thước của động cơ B ng 4.2. K t qu m thông s .................... 61 ả ế ả ột số ố chính của động cơ servo mẫu thử B n t ảng 4.3. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấ stator khi điều chỉnh tần số ại n = 500 rpm, U = 340V ............................................................................................ 64 B nh t t ảng 4.4. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉ ần số ại n = 500 rpm, U = 360V ............................................................................................ 65 B t ảng 4.5. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số ại n = 700 rpm, U = 350V ............................................................................................ 66 B t ảng 4.6. Kết quả đo mômen và dòng điện dây quấn stator khi điều chỉnh tần số ại n = 700 rpm, U = 380V ............................................................................................ 68 B ng 4.7. B ng so sánh k t qu u vào gi a thi t k t nghi m........... 70 ả ả ế ả đầ ữ ế ế ối ưu và thử ệ B K ảng 4.8. ết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tố ộ c đ n = 500 rpm, ch làm vi n h n................................................................................. 73 ế độ ệc ngắ ạ B K ảng 4.9. ết quả so sánh giữa mô phỏng nhiệt và thực nghiệm tại tố ộ c đ n = 700 rpm, ch làm vi c liên t c.................................................................................... 75 ế độ ệ ụ B ng 4.10. K t qu so sánh gi a mô ph t và th c nghi m t ả ế ả ữ ỏng nhiệ ự ệ ại tốc độ n = 1000 rpm............................................................................................................................ 76
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phân lo .............................................................................. 4 ại động cơ servo Hình 1.2. M t s ng d ................................................................. 5 ộ ố ứ ụng động cơ servo Hình 1.3. Đặ ốc độ ủa động cơ servo c tính mômen – t c ............................................. 9 Hình 2.1. Bi phân b c tiêu Pareto .......................... 16 ểu đồ ổ tượng trưng tối ưu đa mụ Hình 2.2. th d ng thu t toán -constraint [48]......................... 19 Đồ ị tượng trưng sử ụ ậ ɛ Hình 2.3. K t qu h i t s d ng thu t toán SQP các bi ế ả ộ ụ ử ụ ậ ến x1, x2 ............................ 22 Hình 2.4. K t qu h i t s d ng thu t toán SQP c a hàm f ế ả ộ ụ ử ụ ậ ủ 1(x) và ràng buộc g1(x)23 Hình 2.5. K t qu tính toán t .............................................. 24 ế ả ối ưu mô phỏng Matlab Hình 2.6. K t qu phân b tiêu f ế ả ổ Pareto hai hàm mục 1(x) và f2(x) .......................... 25 Hình 2.7. Lưu đồ ế ế ối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồ ộ thi t k t ng b 3 pha. 26 Hình 2.8. Lưu đồ ậ ối ưu hai mụ ế ợ ɛ thu t toán t c tiêu SQP k t h p -constraint............. 28 Hình 2.9. Trình t c thi t k ......................................................................... 29 ự các bướ ế ế Hình 2.10. Đặ ố ối ưu Pareto theo hai hàm mụ c tính phân b t c tiêu .......................... 30 Hình 2.11. Đặ ốc độ ủa động cơ tối ưu c tính mômen theo t c .................................... 32 Hình 2.12. Đặ ấ ốc độ c tính công su t theo t ............................................................... 33 Hình 2.13. Đặc tính điệ ốc độ n áp dây theo t ............................................................ 33 Hình 2.14. Đặc tính dòng điệ ố độ n stator theo t c ..................................................... 34 Hình 2.15. S ng c m ng trong thanh d n rotor [67]................................ 35 ức điện độ ả ứ ẫ Hình 2.16. K t qu nh p nhô theo góc nghiêng....... 36 ế ả mô phỏng FEA mômen và độ ấ Hình 2.17. K t qu ng mômen c i 500 rpm rotor rãnh nghiêng ...... 37 ế ả mô phỏ ực đại tạ Hình 2.18. K t qu ng mômen c i 500 rpm rotor rãnh th ng .......... 37 ế ả mô phỏ ực đại tạ ẳ Hình 2.19. K t qu ng mômen c i 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng ... 38 ế ả mô phỏ ực đại tạ Hình 2.20. K t qu ng mômen c i 3500 rpm, rotor rãnh th ng ....... 38 ế ả mô phỏ ực đại tạ ẳ Hình 2.21. So sánh mô ph ng FEA và thi t k t ............................................. 39 ỏ ế ế ối ưu Hình 3.1. Hướ ề ệt trong động cơ ng truy n nhi [88].................................................... 47 Hình 3.2. Mô hình nhi .............................................................................. 48 ệt động cơ Hình 3.3. Nhiệ ộ t đ động cơ theo thờ ế độ ệ ụ ự i gian, ch làm vi c liên t c, làm mát t nhiên .................................................................................................................................. 50 Hình 3.4. M t c c tr ng nhiên, ch liên t c.... 51 ặ ắt nhiệt dọ ục của độ cơ, làm mát tự ế độ ụ Hình 3.5. M t c t ngang tr nhiên, ch liên t c 51 ặ ắt nhiệ ục của động cơ, làm mát tự ế độ ụ Hình 3.6. Nhiệ ộ động cơ theo thờ ế độ ệ ụ ự t đ i gian, ch làm vi c liên t c, làm mát t nhiên v i thi t k h n p .................................................................................................... 52 ớ ế ế ở ắ Hình 3.7. M t ngang tr ặt cắt nhiệ ục của động cơ, làm mát tự ế độ nhiên, ch liên tục với thi t k h n p. ......................................................................................................... 52 ế ế ở ắ
x Hình 3.8. Nhi i gian, ch làm vi c ng làm mát t ệt độ động cơ theo thờ ế độ ệ ắn hạn, ự nhiên ......................................................................................................................... 53 Hình 3.9. M t c c tr nhiên, ch ng n h n . 54 ặ ắt nhiệt dọ ục của động cơ, làm mát tự ế độ ắ ạ Hình 3.10. M t c t n t ngang tr nhiên, ch n h ặ ắ hiệ ục củ ộng cơ, làm mát tự a đ ế độ ắ ng ạn .................................................................................................................................. 54 Hình 3.11. Nhi i gian, ch làm vi làm mát t ệt độ động cơ theo thờ ế độ ệc ngắn hạn, ự nhiên khi thi t k h n p .......................................................................................... 55 ế ế ở ắ Hình 3.12. M t c t nhi t ngang tr nhiên, ch n h ặ ắ ệ ục củ ộng cơ, làm mát tự a đ ế độ ắ ng ạn khi thi t k n p h .................................................................................................... 55 ế ế ắ ở Hình 4.1. Mô ph u th ................................................................ 58 ỏng 2D động cơ mẫ ử Hình 4.2. Mô ph u th ...................................................... 59 ỏng 3D stator động cơ mẫ ử Hình 4.3. Mô ph ng 3D u th ......................................................59 ỏ rotor động cơ mẫ ử Hình 4.4. Mô ph t k ................................................................. 59 ỏng 3D động cơ thiế ế Hình 4.5. Rotor rãnh nghiêng m u th ..................................................................... 60 ẫ ử Hình 4.6. Hình t o................................................................... 60 ảnh động cơ khi chế ạ Hình 4.7. Động cơ mẫ ử ế ạ u th ch t o.......................................................................... 61 Hình 4.8. Th nghi u th th -bench...................... 62 ử ệm mẫ ử động cơ trên hệ ống đo test Hình 4.9. Sơ đồ ố ử ệm động cơ kh i mô hình th nghi ................................................. 63 Hình 4.10. Đặ ầ ố ạ c tính mômen theo t n s t i n = 500 rpm, U = 340 V ...................... 64 Hình 4.11. Đặ ầ ố ạ c tính mômen theo t n s t i n = 500 rpm, U = 360V ....................... 65 Hình 4.12. K t qu m các thông s i 500 rpm, U = 360 V, f = 32 Hz, ch ế ả ử ệ th nghi ố ạ t ế độ ệ ắ ạ làm vi c ng n h n................................................................................................ 66 Hình 4.13. Đặ ầ ố ạ c tính mômen theo t n s t i n = 700 rpm, U = 350 V ...................... 67 Hình 4.14. Đặ ầ ố ạ c tính mômen theo t n s t i n = 700 rpm, U = 380 V ...................... 68 Hình 4.15. K t qu m các thông s i 700 rpm, U = 380 V, f = 46 Hz, ch ế ả ử ệ th nghi ố ạ t ế độ ệ ắ ạ làm vi c ng n h n................................................................................................ 69 Hình 4.16. Kết quả ử th nghi t ệm các thông số ại 700 rpm, U = 300 V, f = 38,6 Hz, chế độ ệ ụ làm vi c liên t c................................................................................................... 69 Hình 4.17. K t qu m các thông s i 1000 rpm, U = 380 V, f = 54,4 Hz, ế ả ử ệ th nghi ố ạ t chế độ ệ ụ làm vi c liên t c............................................................................................ 70 Hình 4.18. Đặ ố ộ ế ả đo tạ ể ạt độ c tính mômen – t c đ tính toán và k t qu i các đi m ho ng khác nhau.................................................................................................................. 71 Hình 4.19. K t qu i 500 rpm, ch n h n .... 72 ế ả đo nhiệt độ động cơ tạ ế độ làm việc ngắ ạ Hình 4.20. K t qu mô ph ng nhi u th i 500 rpm, ch làm vi c ng ế ả ỏ ệ ộ ẫ t đ m ử ạ t ế độ ệ ắn h n ............................................................................................................................ 73 ạ Hình 4.21. Nhi dây qu n t i 500 rpm, ch làm vi c ng n h n .................... 73 ệt độ ấ ạ ế độ ệ ắ ạ
xi Hình 4.22. K t qu ão hòa c i 700 rpm, ch làm vi ế ả đo nhiệt độ b ủ ộng cơ tạ a đ ế độ ệc liên t c ...................................................................................................................... 74 ụ Hình 4.23. K t qu mô ph ng nhi i 1000 rpm, ch m vi c liên ế ả ỏ ệt độ ẫ m u thử ạ t ế độ là ệ t c ............................................................................................................................. 74 ụ Hình 4.24. Nhi bão hòa dây qu n t làm vi c liên t c ......... 75 ệt độ ấ ại 700 rpm, chế độ ệ ụ Hình 4.25. K t qu bão hòa c i 1000 rpm, ch làm vi ế ả đo nhiệt độ ủ ộng cơ tạ a đ ế độ ệc liên t c ...................................................................................................................... 75 ụ Hình 4.26. K t qu mô ph ng nhi i 1000 rpm, ch làm vi c liên ế ả ỏ ệt độ ẫ m u thử ạ t ế độ ệ t c ............................................................................................................................. 76 ụ Hình 4.27. Nhi n và v i 1000 rpm, ch làm vi c liên t ệt độ ấ bão hòa dây qu ỏ ạ t ế độ ệ ục .................................................................................................................................. 76
1 M U Ở ĐẦ 1. Lý do chọ ề n đ tài Sự phát triển của nền sả ất công nghiệp gắn liền với sự ể ủ n xu á ph t tri n c a các hệ thống điều khiển. Xuất phát từ những yêu cầu mới khắt khe, các nhà máy sản xuất thông minh, t ng v i c c thi t b c hi ự độ ớ á ế ị má ó y m ện đại như CNC, robot… đang dần thay thế c ạ ạ ậ ác lo i m y m á óc l c h u và phương thức điề ển, vận hành cũ. Xu hướ u khi ng nà é d ng ng [1]–[3] y k o theo nhu cầu sử ụ động cơ servo trong điều khiển truyền độ đang ng ể ày càng phát tri n. Cách mạng công nghiệp 4.0 được đ nh dấu bởi sự xuất hiện và mở rộng không á ngừng của máy móc hiện đại, thiết bị sản xuất thông minh cùng với bước phát triển đột phá của nền công nghiệp cơ khí và điện tử chính xác, các hoạt động sản xuất được giao phần lớn cho robot thực hiện. Việc xuất hiện của động cơ servo đã góp phần thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu ngành tự động hoá ở nước ta, nhằm tăng chất lượng sản phẩm, mức độ an toàn, tiết kiệm chi phí nhân công và tăng năng suất sản phẩm. Tự động hóa nói riêng cũng như ách mạng công nghiệp 4.0 nói chung là một xu thế c không thể đảo ngược. Hệ thống servo được tích hợp động cơ với bộ điều khiển đặc biệt cần thiết trong sản xuất hiện đại bởi chúng có khả năng điều khiển chính xác các thiết bị (như cánh tay robot) ở tốc độ cao với cơ chế cho phép thực hiện 3 loại điều khiển ị trí, [4],[5]: v mômen, t t h ốc độ hoặc kế ợp các cơ chế điều khiển này. Động cơ servo là bộ phận quan trọng trong hệ thống servo. Việc thiết kế động cơ servo phải đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe trong các hệ thống này như mômen cao hơn, kích thước nhỏ hơn, thời gian đáp ứng nhanh [6]–[8]. Chính vì vậy, “Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết và có tính thời sự. Động cơ servo đòi hỏ ề ạt độ ộ ả ố ộ i nhi u tiêu chí và ho ng trong m t d i mômen - t c đ r ng [9],[10] t ộ . Đề tài nghiên cứu thiết kế ố ằ i ưu b ng cách tối ưu các thông số ế ấ k t c u, điề ể ạ ộ ế ậ ồ ế ợ ố ậ u khi n trong ho quá trình t đ ng. Cách ti p c n này bao g m k t h p t i ưu thu t toán và mô hình đa vật lý để đạt đượ ế ế ối ưu. Kế ả ối ưu ậ đượ ằ c thi t k t t qu t nh n c b ng mô ph ng và ki m nghi m trên mô hình th c nghi m. ỏ ể ệ ự ệ 2. Mụ ủ ề c đích c a đ tài Nghiên cứu, thiết kế tối ưu động cơ hông đồng bộ 3 pha trên cơ sở tối ưu servo k các thông số kết cấu, điều khiển hoạt động của động cơ trong quá trình . 3. Đố ợ i tư ng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu
2 Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mẫu thử ảo. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp xây dựng mô hình, mô phỏng và thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa họ ự ễ ủ ậ c và th c ti n c a lu n án Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc Kiểm nghiệm kết quả bằng phân tích phần tử hữu hạn . và mô phỏng. Chế tạo mẫu thử, thử nghiệm đánh giá kết quả thiết kế tối ưu. Ý nghĩa thực tiễn Ở Việt Nam, trong lĩnh vực sản xuất động cơ điện, chủ yếu sản xuất động cơ không đồng bộ với tốc độ tối đa 3000 (v/ph). Động cơ servo chưa được nghiên cứu và sản xuất hoàn chỉnh. Việc nghiên cứu hương pháp thiết kế tối ưu động cơ servo, trên cơ p sở mô phỏng và thực nghiệm, làm cơ sở cho nghiên cứu, thiết kế, chế tạo loại động cơ này. 6. Dự kiến các kết quả đạ ợ t đư c - Xây d thi t ng ựng thuật toán ết kế ối ưu đa mục tiêu ngay từ bước mô hình áp dụ cho ng b 3 pha. động cơ servo không đồ ộ - Xây dựng thuật toán tố ụ i ưu hai hàm m c tiêu đố ới động cơ servo không đồ i v ng b 3 t qu t c th hi n trên t c tiêu Pareto. ộ pha. Kế ả ối ưu đượ ể ệ phân bổ ối ưu đa mụ - t - , th nghi Xây dựng mô hình mẫu thử ảo thông qua mô phỏng nhiệ điện từ ử ệm m u th ng b ẫ ử động cơ servo không đồ ộ 3 pha. 7. Kết cấu của luận án Toàn bộ luận án được chia thành phần mở đầu, 4 chương kết luận , và kiến nghị và 04 phụ lục, cụ thể các nội dung cơ bản như sau: Mở đầu Trình bày lý do để lựa chọn đề tài, mục đích, phạm vi phương pháp nghiên cứu , , ý nghĩa khoa học và các đóng góp dự kiến của luận án.
3 Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan về động cơ servo. Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về động cơ servo. Qua đó chỉ ra các vấn đề còn tồn tại, đưa ra các vấn đề mà luận án cần tập trung giải quyết. Chương 2: Thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha Trình bày phương pháp thiết kế tối ưu áp dụng cho động cơ servo. Nội dung phần này đưa ra phương pháp thiết kế sử dụng thuật toán tối ưu hóa nhằm gi các , ảm các vòng lặp chế tạo mẫu thử tốn kém về chi phí và thời gian của phương pháp thiết kế truyền thống. Bài toán thiết kế tối ưu động cơ servo, sử dụng tối ưu hóa đa mục tiêu với các ràng buộc được chọn để tìm ra kết quả thiết kế tối ưu. Phân bổ Pareto được đưa ra nhằm giúp người thiết kế lựa chọn kết cấu động cơ phù hợp nhất cho ứng dụng yêu cầu. Chương 3: Mô phỏng nhiệt động servo T h rình bày nghiên cứu phân tíc nhiệt trong động cơ servo ở các chế độ làm việc khác nhau và các điểm hoạt động khác nhau. Việc áp dụng mô phỏng nhiệt-điện từ trong quá trình thiết kế, giúp giảm yêu cầu về việc sản xuất nguyên mẫu và thử nghiệm ì vậy giảm thời gian nghiên cứu chế tạo sản xuất và chi phí. Dựa trên các , v kết quả phân tích nhiệt và giới hạn ngưỡng nhiệt độ của các thành phần trong động cơ, nhằm lựa chọn phương thức làm mát để động cơ thiết kế vừa tối thiểu hóa khối lượng vừa đảm bảo men cực đại của động cơ servo. mô Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả Chương 4 trình bày động cơ mẫu thử được chế tạo và thử nghiệm. Kết quả thử nghiệm đo các thông số như mômen, dòng điện,... tại một số điểm hoạt động khác nhau sẽ được so sánh với mô hình thiết kế tối ưu. Kết quả đo nhiệt của động cơ cũng sẽ được so sánh với kết quả phân tích nhiệt trong mô phỏng. Kết luận và kiến nghị Phần cuối cùng của luận án là kết luận về những đóng góp của luận án, những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo. Phụ lục
4 CHƯƠNG 1. Ổ T NG QUAN 1.1 Tổng quan về động cơ servo Phân lo i ạ động cơ servo Động cơ servo đượ ại thành các động cơ servo mộ ều, động cơ servo c phân lo t chi xoay chiều và động cơ bướ . Trong đó động cơ servo xoay chiề c [11] u có động cơ servo đồ ộ ộng cơ servo không đồ ộ ồ ại độ rvo đượ ng b và đ ng b . Sơ đ phân lo ng cơ se c bi u di n Hình 1.1. ể ễ ở Hình 1.1. Phân loại động cơ servo ng d ng c Ứ ụ ủ ộ a đ ng cơ servo Công nghệ servo ngày càng phát tri n vì v ể ậy ứ ụ ủ ng d ng c a động cơ servo [12],[13] ngày càng đượ ở ộ ộ ố ế ới như Siemens, Mitsubishi, c m r ng. M t s hãng trên th gi Panasonic đã chế ạo động cơ servo và đượ ứ ụ ữ t c ng d ng trong nh ng ngành công nghiệp đòi hỏ ộ i đ chính xác cao như: gia công kim loại, băng tải, robot, CNC, cửa tự độ Sau đây là mộ ố ứ ụ ổ ế ủ ộng cơ ệ ng. t s ng d ng ph bi n c a đ servo trong công nghi p (Hình 1.2): +) Công nghệ robot: động cơ servo tạ ỗi điể ạ i m m ho t độ ủa robot đượ ử ng c c s dụng để ệ ỉ ển độ ể ữ kích thích và hi u ch nh chuy ng, giúp cánh tay robot di chuy n nh ng góc chính xác. +) H n, d i ch ệ ống băng chuyền: động cơ servo di chuyể th ừ băng tả ng ở ả s n phẩm theo các giai đoạn khác nhau như trong các dây chuyển đóng gói, đóng chai, dán nhãn …. +) H ng theo d t tr u ch nh góc c ệ ố th õi năng lượng mặ ời: động cơ servo điề ỉ ủa tấm pin m t tr m b o di n tích chi u sáng l n nh t. ặ ời để đả ả ệ ế ớ ấ +) Máy CNC: động cơ servo cung cấp điều khiể ể ộ n chuy n đ ng chính xác cho máy CNC, phay, máy ti n, máy c d p, ép, u m kim lo i. ệ ắt…để ậ ốn các tấ ạ
5 (a) (b) (c) (d) Hình 1.2. M ng d ột số ứ ụng động cơ servo Ngoài ra còn r t nhi ng c u khi ấ ều ứ ụ ng d ủ ộng cơ servo như: cử a đ a tự động, điề ển v - ị trí Ăn ten trong các đài quan sát thiên văn, máy dệt công nghiệp, các máy in khắc công nghi p... ệ làm vi Các chế độ ệc củ ộng cơ a đ Các c c c hế độ làm việ ủ ộng cơ đượ ạ ể ị ừ a đ c phân thành 9 lo i bi u th t S1 đến S9 dựa theo s liên t c, th i gian làm vi c ng và theo chu k c th ự ụ ờ ệ ắ ạ n h n ỳ , đượ [14] ể ệ như hi n trong B ng 1.1. ả
6 B ng 1.1 c tính làm vi ả . Các đặ ệc của động cơ Stt Ch làm vi c c tính t i, nhi ế độ ệ Đặ ả ệt độ 1 Làm vi c liên t c ệ ụ : S1 2 Làm vi c ng n h n ệ ắ ạ : S2 3 Làm việc theo chu kỳ: S3
7 4 Làm vi c theo chu k ệ ỳ xét đế ờ ở n th i gian kh i độ tăng tố ng/ c: S4 5 Làm vi c theo chu k ệ ỳ bao g kh i ồm thời gian ở độ /tăng tố ả ng c, t i không đổ ờ i, hãm và th i gian d ng ừ : S5 6 Làm vi c liên t ệ ục với mỗi chu kỳ bao g m th i gian ồ ờ kh ng i ởi độ , tải không đổ và hãm: S6
8 7 Làm vi c liên t ệ ục với mỗi chu kỳ bao g m th i gian ồ ờ ho ng ạt độ ở các tải khác nhau: S7 8 S9 ho ng là chế độ ạt độ không theo chu k , trong ỳ đó tả ố ộ thay đổ i và t c đ i không theo chu kỳ trong phạm vi hoạt động cho phép, bao g m c ồ ả ờ th i gian quá tải: S8 9 Làm việ ặc trưng cho c đ tải thay đổi không theo m t chu k nh ộ ỳ ất định: S9
9 S gi ng ự khác biệt ữ ộng cơ servo và động cơ thườ a đ Động cơ servo đượ ế ợ ớ ộ điề ể ạ ệ ố ả ồ c k t h p v i b u khi n t o thành h th ng ph n h i vòng kín . Tín hiệu ra củ ộng cơ đượ a đ c nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, t ph i v m n [8], [ lý ố ộ c đ và vị trí sẽ được ản hồ ề ạch điều khiể 14], 15]. Nếu có bất kỳ do nào ch giá tr t c u ph n h i s so sánh v i tín đó làm sai lệ ị đặ ủ ộng cơ, tín hiệ a đ ả ồ ẽ ớ hi hi u ch sai l ch này. ệu đặt để ệ ỉnh sự ệ V n thì m m ề cơ bả ộ ộng cơ servo và động cơ thườ t đ ng giống nhau về ặt cấu tạo và nguyên lý ho t s m khác bi ạt độ uy nhiên, động cơ servo có mộ ng. T ố điể ệt hơn so với động cơ thườ ụ ể như: ng [13], [17] c th - Mômen xo . ắn cao - D i ho ng r . ả ạt độ ộng - Kh l . ả năng thay đổi tốc độ ớn hơn - T s ố ộ c đ và vị trí củ ộng cơ a đ ervo có thể được điều chỉnh và kiểm soát vớ ộ i đ chính xác cao. - Tr ng th p, thi t k nh g n ọng lượ ấ ế ế ỏ ọ So vớ ộng cơ công nghiệp thường đượ ế ế ố đị ức như i đ c thi t k theo các thông s nh m mômen, điện áp, dòng điệ (điể , độ cơ servo đượ ế ế để ạt độ n… m ) ng c thi t k ho ng trong dả ố ộ ộ ằm đả ả i t c đ r ng nh m b o mômen trong hai vùng làm việc cự ạ c đ i và liên t c. – t ụ Đặc tính làm việc mômen ố ộ c đ điển hình củ ộng cơ servo đượ a đ c biểu diễn như Hình 1.3. Hình 1.3 c tính mômen – t c . Đặ ố ộ c đ ủa động cơ servo ---- c tính c i c Đường đặ ực đạ ủa động cơ c tính làm vi c liên t Đường đặ ệ ục của động cơ
10 Để ựng đường đặ ụ ủ ộng cơ ngườ ải cho động cơ hoạ xây d c tính liên t c c a đ i ta ph t độ ở ỗ ố ộ (điể ạt độ ộ ời gian dài để đạt đượ ng m i t c đ m ho ng) khác nhau trong m t th c nhi ng ệ ộ t đ làm việc ổ ị n đ nh của từng điểm hoạt động. Đây là đườ ặ ng đ c tính hoạ ộ t đ chính c m b t. Mu ủ ộng cơ v nó đả a đ ì ảo được các ràng buộc về độ ền cơ và nhiệ b ốn nâng cao đặ ệ ủ ộng cơ mà vẫn đả ảo động cơ không bị ả c tính làm vi c c a đ m b quá t i nhiệt, phải dùng các biện pháp làm mát phù hợp như: thêm cánh tản nhiệt, lắp thêm qu t làm mát ng b ạ cưỡ ức… Đường đặ ệ ự c tính làm vi c c c đ a đ ạ ủ i c ộng cơ có ý nghĩa là động cơ có thể làm việc ở điể ạt độ ớ ực đại. Động cơ không thể ệ ở đường đặ m ho ng v i mômen c làm vi c c tính t t th i gian dài vì ràng bu nhi ối đa trong mộ ờ ộc về ệt và cơ. Động cơ servo hoạ ộ ộ ả ố ộ ộ ế t đ ng trong m t d i mômen - t c đ r ng: mômen cao, thi t kế nh g ng ỏ ọn. Vì vậy, việc giảm thiểu khối lượ ở bước thiết kế không chỉ giúp giảm chi phí s n xu có mômen quán tính nh , trong khi v ả ất, mà còn để ỏ ấn đề ề ệt và năng v nhi su o. ất động cơ được đảm bả 1.2 Các nghiên cứu về thiết kế tối ưu động cơ servo Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn dùng cho điệ ử ấ ấ ủa các chip điệ ử và phương pháp toán n t công su t, công su t tính toán c n t ứ ụ trong động cơ ệc điề ể ố ộ động cơ trong dả ng d ng , vi u khi n chính xác mômen/t c đ i ho nên d thi t ạ ộ t đ ng rộng trở ễ dàng. Các nghiên cứu về ết kế ối ưu động cơ servo trên th gi i ti p t c phát tri n không ng ng: ế ớ ế ụ ể ừ Phát tri n ph n m m mô hình hóa và k t n i các hi ể ầ ề ế ố ện tượng đa vật lý (cơ ệ điệ -nhi t- n t -rung- ừ ồn) trong động cơ b h th ằng các mô hình giải tích và phần tử ữu hạn với sự ỏa hi toán [18]–[24] th m ệp giữa cấp chính xác và thời gian tính , cụ ể ột số các nghiên c u: ứ - A. Basu, SA Moosavian, R. Morandini (2005) [17] đã trình bày tối ưu động cơ servo nam châm vĩnh cử ằ ố ọc kích thướ ạ u b ng cách t i ưu hóa cơ h c và hình d ng nam châm. Tác gi i hình d ng và v c mômen xo ả đã phân tích các loạ ạ ị trí nam châm để có đượ ắn cao cho động cơ servo. n đư K l ết quả ựa chọ ợ ạng nam châm trên rotor để c hình d có mômen xo n cao nh nghi m m u th xác nh n k t qu . ắ ất, thử ệ ẫ ử để ậ ế ả - Jean Le Besnerais, Vincent Lanfranchi, Michel Hecquet, Raphael Romary, Pascal Brochet (2009) trình bày l [22] ựa chọn tối ưu củ ộ ở ệ a đ m mi ng rãnh stator và rotor trong động cơ không đồ ộ ồng sóc để ả ế ồ ạ ở ng b rotor l gi m ti ng n t o ra b i sóng hài. - - - - -D - Pil Wan Han, Jae Hak Choi, Dong Jun Kim, Yon o Chun, Deok Je Bang (2015) [25] trình bày phân tích điệ ừ ệt cho động cơ không đồ ộ n t và nhi ng b tố ộ c đ cao. Phân tích điệ ừ ử ụ ầ ử ữ ạ ệ ử ụng sơ đồ ạ ế n t s d ng ph n t h u h n, phân tích nhi t s d m ch thay th .
11 Mô hình thi t k 00 rpm. M u th o và phân tích k ế ế cho động cơ có tố ộ c đ 12 ẫ ử ế ạ ch t ết qu thi t k n t - nhi t c a mô hình. ả ế ế điệ ừ ệ ủ - Ji- - - - (2017) [23] cung Young Lee, Byung Chul Woo, Jong Moo Kim, Hong Seok Oh c t ấp một thiết kế ối ưu cho động cơ bánh xe. Mụ ả ế ắ c tiêu c i ti n hình dáng lõi s t stator của một động cơ nam châm vĩnh cửu để có th c hi n vi c qu ể ự th ệ ệ ấn dây tự động, trong khi v n duy trì các thông s t c ẫ ố ỹ ậ k thu ủa rotor và các đặc tính đầu ra như công suất và hi u su n t ng trong ệ ất. Phương pháp FEA 2D đượ - c sử ụng để phân tích điệ d ừ trườ quá trình thi t k th nghi m m u th t qu thi t k . ế ế. Kết quả ử ệ ẫ ử để đánh giá kế ả ế ế Nghiên c u và áp d t toán t Sequential Quadratic ứ ụng các thuậ ố ư i u - (SQP Programming, GA - Genetic Algorithms, PSO – Particle Swarm Optimization, Space- Mapping) gi t để ải các bài toán thiết kế ối ư độ u hóa ng cơ đơn hoặc đ ụ ả a m c ti u: gi ê m kh t ối lượng/giá, tăng hiệu suấ động cơ, tăng mômen cực đại và công suất tại tốc độ cao [26], [10], [19], [20], [11] [18], c th m t s các nghiên c u: – ụ ể ộ ố ứ - (2000) [38] t n Svante Andersson đã trình bày tối ưu hóa mộ động cơ điệ đồng bộ nam châm vĩnh cử ự ớ ầ ắ ề ặ Mô hình động cơ u sáu c c v i ph n nam châm g n trên b m t. s d t ử ụng thuật toán SQP để ố ớ i ưu v i hàm mục tiêu f(x) là giả ậ ệ m chi phí v t li u. Tác gi s d h ả ử ụng phương pháp phần tử ữu hạn (FEA mô ph ng, s t m u th và ) để ỏ ản xuấ ẫ ử so sánh. - D.A.Staton (2001) [39] v vi gi ới nghiên cứu về ệc có thể ảm kích thước động cơ servo nam châm vĩnh cử ử ụ ỏ ả đưa ra mộ ố u s d ng mô ph ng Motor-CAD. Tác gi t s các phân tích trình bày mô ph ng nhi t trong Motor ỏ ệ - gi CAD để ảm kích thướ ộ c đ ng cơ mà vẫn đả ảo độ tăng nhiệ tương ứ ớ ấp cách điệ ự ọ ủa động cơ. m b t cho phép ng v i c n l a ch n c - t ng Mehmet Çunkaş, Ramazan Akkaya (2006) đã nghiên cứu thiết kế ối ưu cho độ cơ 3 pha rotor lồ ứ ử ụ ậ ề ớ ng sóc . Nghiên c [40] u s d ng thu t toán di truy n (GA) v i các hàm m c tiêu riêng bi t ra là c i mômen, t i thi u chi ụ ệt (đơn mục tiêu) đượ ặ c đ ự ạ c đ ố ể phí s n xu t và t u su c thi t k ả ấ ố ệ i đa hi ất động cơ. Ba động cơ đượ ế ế ối ưu tương ứ t ng v m ới 3 ục tiêu trên được so sánh với động cơ ban đầu. Dựa vào kết quả sau khi thiết k t l p theo yêu c t ra. ế ối ưu, có thể ựa chọn động cơ phù hợ ầu mục tiêu đặ - 9) [41] i Damir Zarko, Drago Ban, Davor Gooricki (200 đã đưa ra cách tiếp cận cả ti n thi t k ng b ế ế ế động cơ servo AC đồ ộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp phần t h ử ữu hạn (FEA), tối ưu hóa động cơ (tối ưu phần nam châm và kích thước rotor) b d ằng cách sử ụng thuật toán tối ưu DE (tiế ệ ứu đã phân tích n hóa khác bi t). Nghiên c và so sánh k t qu u su t và chi phí s n xu t so ế ả ố ủ ộng cơ khác nhau về ệ t i ưu c a 3 đ hi ấ ả ấ với một thiết kế có sẵn. Kết quả sau khi phân tích, động cơ có cả ế ế ế i ti n thi t k tốt nhất có độ tăng nhiệ ấp hơn, mômen quán tính nhỏ hơn, chi phí thấp hơn. t th
12 - Fodorean, D., Idoumghar, L. & Szabó, L. (2013) [34] nghiên c u s ng thu ứ ử ụ d ật toán PSO để ế ế ối ưu một động cơ nam châm vĩnh cử ớ ụ ối đa thi t k t u PMSM v i m c tiêu t hóa công su u ra trong khi yêu c u kh ng t u. Các k t qu sau khi t ấ ầ t đ ầ ối lượ ối thiể ế ả ối ưu đượ ể ệ ằ ự ệ c ki m nghi m b ng FEA và th c nghi m. - [29] M. Centner (2014) đã đưa ra nguyên lý cơ bả ủ n c a bài toán tối ưu động cơ nam châm vĩnh cử ử ụ ật toán NSGA II để ối ưu đa mụ ớ ụ u, s d ng thu t c tiêu v i hàm m c tiêu c giúp ực tiểu chi phí và cự ạ c đ i hiệu suất. Kết quả đã đưa ra được phân bổ Pareto để l n k t qu thi t k phù h p. ựa chọ ế ả ế ế ợ - [37] t gi Xia, B., Ren, Z., Zhang, Y. & Koh, C. S. (2014) trình bày mộ ải pháp tối ưu hóa s ng mô hình Kriging và thu t toán di truy n GA s t k ử ụ d ậ ề ử ụng để ế d thi ế ối ưu t các thiết bị điệ ừ. Thông thườ ậ ẫ ể n t ng, các thu t toán ng u nhiên có th tìm ra tối ưu toàn cục, tuy nhiên khối lượng tính toán lớn, không gian tìm kiếm rộng. Trong phương pháp này, hàm m p b i các hàm n i suy, s ng mô ục tiêu được đánh giá gián tiế ở ộ ử ụ d hình Kriging ng cách tính toán trung bình d t t b để ự đoán giá trị ạ ểm chưa biế i các đi ằ có tr ng s c gi m không gian tìm ki m. ọ ố ủa các mẫu đã biết để ả ế - [42] Stjepan Stipetic and Werner Miebach, Damir Zarko (2015) trình bày tầm quan trọng của tối ưu hóa. Bài viết trình bày tổng quan các quy trình tối ưu hóa, các thuật toán t c thi t k t i v ối ưu hóa để đạt đượ ế ế ối ưu trong máy điện (như PSO, GA...). Đố ới quá trình thi t k ế ế máy điệ ế ế n, thi t k tối ưu là yêu cầ ắ ộ ế ế u b t bu c trong thi t k máy điện hiệ ại. Trướ n đ c đây, các kỹ sư ch m đ ủ ế ự ệ y u d a vào kinh nghi ể ế ế thi t k máy phù hợp v i m t s m th . Cách ti p c m b t k ớ ộ ố ục đích cụ ể ế ận này đả ảo đạt được một thiế ế đầy đủ nhưng không đả ả ế ế m b o thi t k tối ưu. Mụ ủ ối ưu hóa có thể ả c tiêu c a quá trình t là gi m thi u giá thành ho c kh ng hay t u su t. ể ặ ối lượ ối đa hóa hiệ ấ - , , Baris , (2015) [43] Erkan Mese Yusuf Yasa T. Ertugrul Eyyup Sincar đã nghiên c u m ứ so sánh thiết kế ột động cơ servo AC nam châm vĩnh cửu có mômen cao, tốc độ ấ ủ ộ ạm vũ khí ớ ột động cơ có sẵn có cùng đườ th p cho tháp pháo c a m t tr v i m ng kính ngoài và chi u dài c thi t k có 36/32 rãnh/c t h p v ề stator. Động cơ đượ ế ế ực kế ợ ới cuộ ậ ủ ộ n dây t p trung trong khi c a đ ng cơ có sẵ ự ớ ộ n có 39/12 rãnh/c c v i cu n dây phân tán. Kết quả chỉ ra động cơ thiế ế t k có di n tích ph ệ ần mômen không đổ ớn hơn nhiề i l u và độ tăng nhiệ ấp hơn so với động cơ 39/12 rãnh/cự t th c. - [44] Xiaoyu Liu, Qifang Lin and Weinong Fu (2017) đã trình bày mô hình chung m s otor ới của sự ắp xếp nam châm, tạo ra nhiều loại cấu trúc r khác nhau. Mô hình chung có th o ra ít nh t sáu ki n nh ể ạ t ấ ểu sắp x ng ph ếp nam châm được sử ụ d ổ ế bi ất. Sau khi t u trúc c a stato ố ằ i ưu hóa b ng PSO, cấ ủ r tạm thời đạt được mức tối ưu. Sau đó, quá trình tối ưu hóa đa mụ ử ụ ậ ố c tiêu s d ng thu t toán II. Khi quá trình t NSGA- i ưu hóa hoàn tấ ộ ả ộ ả ố ối cùng đượ ọ t, trong b gi i pháp Pareto, m t gi i pháp t i ưu cu c ch n
13 là thi i cùng, k t qu mô ph ng so sánh v i k t qu ết kế ủ ộng cơ. c a đ Cuố ế ả ỏ ớ ế ả ự th c nghi u này cho th y mô ph ng là chính xác. ệm, điề ấ ỏ - [32] Yao Duan, Ronald G. Harley (2011) đã đưa ra mộ ế ế và phương pháp tố t thi t k i ưu hóa động cơ không đồ ộ ử ụ ậ ớ ụ ệ ấ ng b s d ng thu t toán PSO, v i hàm m c tiêu hi u su t. Quá trình thiết kế đảm đáp ứ ố ỹ ậ ả ặ ạ ng các thông s k thu t mà không ph i tính toán l p l i. M b gi y ặt khác miền các biến thiết kế ị ới hạn một số ếu tố như vật liệu thép, dung sai, h v h ạn chế ề nhiêt và làm mát, dẫn đến không gian tìm kiếm được hạn c ế hơn so với thi truy ết kế ền thống. Chính vì lẽ đó, thời gian tính toán nhanh hơn so với phương pháp thi máy truy n th t qu c xác minh b ết kế ề ống trước đây. Kế ả ối ưu đượ t ởi phân tích ph n t h u h n. ầ ử ữ ạ - [45] xu thi t Abbas Shiri, Abbas Shoulaie, (2012) đề ất một quy trình để ết kế ối ưu động cơ không đồ ộ ử ng b s d ng ụng thuật toán di truyền. Mô hình thiết kế được xây dự để ảnh hưở ủ ế ế ế khác nhau đế ệ ấ ủ ộng cơ ừ xem xét ng c a các bi n thi t k n hi u su t c a đ . T các bi a ch ế ế ế mô hình đưa ra các giả ự n thi t k i pháp l ọ ừ đó tính toán n khác nhau. T hàm m c tiêu v i nh ng gi i pháp thõa mãn các ràng bu c. So sánh giá tr ụ ớ ữ ả ộ ị các hàm m t t ục tiêu sẽ có kết quả ối ưu. Kết quả ối ưu được kiểm nghiệm bằng mô hình phần t h u h n. ử ữ ạ - [33] S. S. Sivaraju, Fernando J. T. E. Ferreira, N. Devarajan (2012) đã trình bày phương pháp tối ưu hiệ ấ ộng cơ không đồ ộ ồ ử ụ u su t đ ng b 3 pha rotor l ng sóc s d ng thu bi ật toán di truyền GA với một số ến như kích thướ ẫ ậ ộ c dây d n, m t đ dòng stator, m t t l ật độ ừ thông khe hở không khí. Kết quả đạ ợ ộng cơ tối ưu có hiệ t đư c đ u suấ ớn hơn và độ tăng nhiệ ấp hơn. t th - J. Buschbeck, M. Vogelsberger, A. Orellano, and Erich Schmidt (2016) [28] đã trình bày m ng b n t t s ột phương pháp tối ưu động cơ không đồ ộ ế k t hợp điệ ừ ệ - nhi ử ụ d ng trong b ng l c kéo công su t l n t và nhi c th ộ ền độ truy ự ấ ớn. Các phân tích điệ ừ ệt đượ ực hiện bằng FEA. Một Pareto đượ ậ ởi dòng điệ ừ ệ ộ ụ c xác l p b n t i hóa và nh t đ (ph thuộc hình d ng các n làm mát). ạ ống dẫ 1.3 Kết luận chương 1 Nội dung chương 1 đã trình bày tổng quan về động cơ servo, các ứng dụng, đặc tính làm vi c, phân lo i và s ệ ạ ự khác nhau giữa động cơ servo và động cơ thường. Phân tích các nghiên c u v t k ứ ề ế i th ế t servo u ố ộng cơ i ưu đ . Dựa trên kết quả các nghiên cứ v thi t tài “ ề ết kế ối ưu động cơ servo, đề Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc” là cấp thiết các kết luận với : Các nghiên c i v ng b 3 pha rotor l ng sóc ứu tối ưu đố ớ ộng cơ servo không đồ i đ ộ ồ không có nhi u, các bài toán t y m c tiêu riêng bi t m kh ề ối ưu chủ ếu là các ụ ệ như giả ối lượng hay tăng hiệ ấ ủa động cơ… u su t c
14 Các nghiên ng thu t toán t c s d ứu chưa ử ụ ậ ối ưu đa mục tiêu cho động cơ servo không đồ ộ ồ ế ợ ẫ ử ảo để ả ờ ng b 3 pha rotor l ng sóc k t h p mô hình hóa m u th gi m th i gian tính toán và các vòng l p ch n vi c ti t ki ặ ế ạ t o mẫu. Do đó, dẫn đế ệ ế ệm được chi phí ch t n th c. ế ạo mà phương pháp thiết kế máy điện truyề ống không làm đượ Từ đó tác giả đề xuất hướng nghiên cứu với các bước tiến hành của luận án như sau: - t Nghiên cứu thiết kế ối ưu hai mục tiêu đối với động cơ servo: cự ạ c đ i mômen, c c ti u kh nh phân b Pareto. ự ể ối lượng, xác đị ổ - Ki m nghi m thi t k b ng mô ph ng h u h n FEA. ể ệ ế ế ằ ỏ phần tử ữ ạ - Mô ph ng nhi ỏ ệt động cơ. - S n xu u th c, th nghi m, so sánh k t qu . ả ất mẫ ử prototype động cơ servo, đo đạ ử ệ ế ả
15 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ SERVO KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 2.1 Thiết kế tối ưu đa mục tiêu động cơ servo Lý thuy t t ế ối ưu Việc tối ưu hóa hay tìm giá trị ự đạ ặ ự ể ủ ộ ục tiêu đượ c c i (ho c c c ti u) c a m t m c thay bằng mô hình toán học của yêu cầu (mục tiêu) đó giúp giả ế ột cách logic hơn. i quy t m Nó ph nh chính xác b ng các công th c [11]: ải xác đị ằ ứ () = 󰇡  (),   (), … ,  ()󰇢 (2.1)  { ,  , … ,  }    (2.2)       ,   , … ,    , = 1, … ,    (2.3) Ràng buộc:   ()    0, = 1, … ,  ( ) = 0, = 1, … ,   (2.4) Các hàm mục tiêu (f1(X), f2(X), ...) là mộ ặ ều tiêu chí xác đị ụ t ho c nhi nh m c tiêu, có th gi ng ể là để ảm thiểu chi phí (sản xuất, tiêu hao điện năng, ...), giảm thiểu tác độ môi trườ ạ ệ ả ệ ứ ặ ể ng (c n ki t tài nguyên thiên nhiên, khí th i, hi u ng nhà kính ...) ho c đ t u su t, mômen, công su t... ối đa hóa hiệ ấ ấ Các bi n ho c các tham s ế ặ ố ế thi t kế (X = {x1, x2, ..., xn}) là các đại lượng đầu vào có ảnh hưởng đến hiệu suất, khối lượng, mômen củ ộng cơ. a đ Các thông số này sẽ được thay đổ ặ ạ ủ ế ế ối ưu. Chẳ ạn như kích thướ i trong quá trình l p l i c a thi t k t ng h c hình h vòng dây qu n, tính ch t li u, ... Vi ọc của stator, rotor, số ấ ất vậ ệ ệc lựa chọn số lượ ến cũng là vấn đề ủ ối ưu hóa. Có thể thay đổ ộ ố lượ ớ ng các bi c a t i m t s ng l n các biến thiết kế để tăng không gian tìm kiếm nhưng quá trình tối ưu hóa sẽ lâu hơn và khó h i t ộ ụ hơn. Các ràng buộc (gj(X), hk(X)) liên quan đến đa lĩnh vực như cơ, nhiệt, điệ ừ, điề n t u khi hi k thu ng ển, được thể ện trong các thông số ỹ ật của máy. Ví dụ, hiệu suất củ ộ a đ cơ ph i cao đ ả ể ệ ả nâng cao hi u qu v m ề ặt năng lượ ệ ộ ộ ả ấp hơn ng, nhi t đ cu n dây ph i th gi th ới hạn tăng nhiệt của lớ ện, dòng điệ p cách đi n cần thiế ể t đ ực hiện mômen cực đại không vượt quá dòng điệ ối đa cho phép bở ộ n t i b điề ể ấ ớ ấ u khi n và công su t l n nh t ở ốc độ ả ớn hơn hoặ ằ ớ ầ ỹ ật cho động cơ servo v.v. t cao ph i l c b ng v i yêu c u k thu
16 Tương tự, trong quá trình tối ưu hóa, người thiết kế có thể thêm nhiều ràng buộc không đượ ể ệ ố ỹ ật nhưng ngầ ểu để đả ả ế c th hi n trong các thông s k thu m hi m b o thi t k t s l ế ối ưu tính toán khả thi trong sản xuất. Ví dụ, một ràng buộc như là hệ ố ấp đầy phải được thêm vào để đả ả ằ ấn không đượ ợ ậ m b o r ng dây qu c vư t quá rãnh stator, m t độ dòng điệ ớ ấ ể n l n nh t đ đả ả ề ệt cho động cơ. Nhữ ộ m b o v nhi ng ràng bu c được thêm vào đả ả ợ ủa mô hình đã chọ m b o tính phù h p c n. Tối ưu đa mục tiêu Thông thườ ế ế ng, các nhà thi t k ph thi ả ố i đ i mặt với nhiệm vụ ết kế các ứ ụ ng d ng công nghi ng m t t p h c tiêu. ệp để đáp ứ ộ ậ ợp các yêu cầ , đa mụ u Tối ưu hóa hai mục tiêu là m trong t c tiêu ột trường h p c ợ ụ ể th ối ưu hóa đa mụ [46],[47], trong đó có thể l a n t ự chọ ối ưu kích thướ ủ ệ ố ở c giúp chi phí c a h th ng mức tối thiểu đồng thời tối ưu mômen c i hay hi u su t v p h p các ràng bu ng th i [48]. ực đạ ệ ấ ới tậ ợ ộc đồ ờ Gi t t gi c ải quyết vấ ề n đ ối ưu hóa đa mục tiêu không dẫ ế n đ n mộ ải pháp toàn cụ duy nh Do tính ch t mâu thu n c c tiêu, có th ất. ấ ẫ ủa các mụ ể có đượ ố lượ ả c s ng gi i pháp vô h i gi i pháp duy nh ạn trong đó mỗ ả ất gán các mứ ộ ưu tiên khác nhau cho các c đ mục tiêu. Các giải pháp đượ ọi là điể c g m trong phân b t ổ ối ưu Pareto [49], [50]. i m Đ ể t trong phân b ối ưu ổ Pareto được định nghĩa như sau: Điểm x* X là tối ưu Pareto khi và chỉ khi không tồn tại điểm khác x X , sao cho f(x) ≤ f(x* ) f và i(x) < fi(x* ) cho ít nh t hàm m ất mộ ục tiêu. Hình 2.1 th hi u ể ện tối ưu hai mục tiêu đượ ịnh nghĩa bở c đ i biể đồ phân bổ Pareto. Hình 2.1 phân b . Biểu đồ ổ tượng trưng tối ưu đa mục tiêu Pareto
17 Sau đó, tùy thuộc vào ngườ ết định để ọ ột điể ừ ể đồ i ra quy ch n m m t bi u phân b t ổ ối ưu Pareto. Tuy nhiên, việc tạo ra toàn bộ ặ ho c một ph n c ầ ủa phân b t ổ ối ưu Pareto là chuyên sâu v t tính toán. u này th n khi áp d ng cho bài toán t ề ặ m Điề ể ệ hi ụ ối ưu vớ ố lượ ụ ớn hơn hai, dẫn đế ổ ối ưu ặ ề i s ng m c tiêu l n phân b t Pareto ba ho c nhi u chi u. ề Trong các trường hợp đó, người ra quyết định nên chỉ định các ưu tiên được xác đị ề ụ ặ nh rõ ràng v các m c tiêu ho c tầ ọng tương đố ủ m quan tr i c a các mục tiêu khác nhau. Có hai h o hàm và ọ phương pháp tối ưu hóa chính : phương pháp đạ [29]–[37] phương pháp ẫ ng u nhiên: - -Mead, Các phương pháp đạo hàm: thuật toán Simplex Nelder Quy hoạch đa th ( - Sequential Quadratic Programming),… [51], [52] ng ức bậc 2 SQP , dựa trên hướ tìm ki m xu t phát t m u. tìm giá tr t ng ế ấ ừ ột điểm ban đầ Để ị ối ưu, chúng dựa trên hướ tìm ki c cung c p b a hàm m pháp cho i t ếm đượ ấ ở ạ i các đ o hàm củ ục tiêu. Phương hộ ụ nhanh chóng nhưng có thể là h c . ội tụ ục bộ Khi đó có thể đổi điểm ban đầ ế thay u, n u các hướ ế ộ ế ả ộ ụ, đó là tối ưu toàn cụ ng tìm ki m luôn cho cùng m t k t qu h i t c. - Các phương pháp ngẫu nhiên: thuật toán di truyền (GA), tối ưu hóa dòng hạt (PSO), v.v. i ng t giúp khám [52]–[54] d chuy ựa trên cơ chế ển đổ ẫu nhiên và xác suấ phá không gian tìm ki m m t cách thông minh và có th ế ộ ể ộ h i t n t ụ đế ối ưu toàn cục. Chúng yêu c u m t s ầ ộ ố lượ ớn các đánh giá củ ục tiêu, do đó, thờ ng l a hàm m i gian tính toán r t l n so v o hàm ấ ớ ới các phương pháp đạ . Thu (SQP) [55], ng ật toán quy hoạch đa thức bậc 2 [39, 40] là một trong nhữ phương pháp ệ ả để ả ế ẫ ề ối ưu hóa ràng buộ ế hi u qu gi i quy t các v n đ t c phi tuy n. Phương pháp hộ ụ ờ Đây là phương pháp lặ ộ i t và th i gian tính toán nhanh. p, thu c nhóm phương pháp tìm kiếm theo đạo hàm. Để ắ ầ ặ ầ ọ ộ ể b t đ u vòng l p, c n ch n m t đi m ban đầ éc tơ gradient chỉ ra hướ ế ế ề u, v ng tìm ki m ti p theo. Các thông tin v gradient, hàm m c tiêu và các ràng bu c ph i th u ki n liên t c, kh ụ ộ ả ỏa mãn điề ệ ụ ả vi đồ ờ ng th i giá tr tr v c ị ả ề ủa các hàm số và đố ố ả ị ự ậ ể ử i s ph i là giá tr th c. Thu t toán SQP có th s d ng ụ hàm Fmincon thu c Optimization Toolbox c tránh vi c thu ộ ủa Matlab để ả Để gi i. ệ ật toán có th cho k t qu i t , trong quá trình ch y tìm ki t qu ể ế ả ộ h ụ ụ c c bộ ạ ếm kế ả ố t i ưu, thay đổi điểm ban đầu để ể ế ả ộ ụ ếu khi thay đổi các điểm ban đầ ki m tra k t qu h i t . N u khác nhau mà thu t toán cho cùng m t k t qu t qu t ậ ộ ế ả, đó là kế ả ối ưu toàn cục. N n c a thu [55] b Wilson ội dung cơ bả ủ ật toán quy hoạch đa thức bậc 2 ắt ngồn từ (Wilson - c ph bi i Han (Han- -1978) 1963) và đượ ổ ến bở 1977) và Powell (Powell    () (2.5)
18  ( ) = 0 j = 1, … . , m (2.6)  ( )  0 j = m + 1, . … , n (2.7) Trong đó x là vector củ ố ế ế ụ ố lượ a tham s thi t k , f(x) là hàm m c tiêu, m,n là s ng các ràng bu m c quy ho là kh i quy ộc, ưu điể ủa ạch đa thức bậc 2 ả năng giả ết các vấn đề ớ ộ ế ộ ế v i các ràng bu c phi tuy n. Hàm ràng bu c phi tuy n Lagrangian cho bài toán phi tuy c bi u di [55]: ến đượ ể ễn như sau L(x, ) = f(x) +        ( ) (2.8) Ý tưở ủa phương pháp ạch đa thứ ậ ng c quy ho c b c 2 là mô hình hóa bài toán phi tuy n (2.5)-(2.7) ế ở một giải pháp gần đúng nhấ ị ả ử t đ nh, gi s xk bằng m t bài toán ộ quy ho b 2 d ạch ậc . Sau đó sử ụng giải pháp cho bài toán con này để xây dựng một xấp xỉ tốt hơn xk+1 . Quá trình này đượ ặ ại để ạ ộ ỗ ấ ỉ ẽ ộ ụ đế ả c l p l t o ra m t chu i các x p x s h i t n gi i pháp tối ưu x* . Ý tưở ủ ạch đa thứ ậ ự ậ ự ng chính c a quy ho c b c 2 là xây d ng bài toán con b c 2 d a trên m t x p x ộ ấ ỉ của hàm Lagrangian L(x, λ) c (2.8) ủa và b ng cách tuy n tính hóa các ằ ế ràng bu c phi tuy n c (2.5)-(2.7) [55]. ộ ế ủa    ( ) =   [ ½        s + f( )  ] (2.9) Ràng buộc:   ( )    +  (  ) = 0 v i ớ j = 1,….,m (2.10)   ( )    +  (  )  0 v i ớ j = m+1,.…,n (2.11) Trong đó Hk là một xấp xỉ ủ ậ ủ ạ c a ma tr n Hessian c a hàm Lagrangian L(x, ) λ t i  . Ban đầ ậ u, ma tr n Hk là ma tr c c p nh t trong ận đơn vị và đượ ậ ậ các l n l p l i ti p theo ầ ặ ạ ế b ng ằ phương pháp BFGS (Nocedal và Wright 2006). Bài toán con quy ho c gi i b ng cách s ạch đa thức b 2 (2.9)-(2.11) ậc đượ ả ằ ử ụ d ng phương thứ ế ậ ạt độ ả ủa chương c thi t l p ho ng Quadratic Programming. Các gi i pháp c
19 trình con t o thành m t x i ừ sau đó đượ (2.9)-(2.11), c sử ụng để ạ d t ộ ấ ỉ ớ p x m xk+1 như sau [55]:  =  +   s (2.12) Trong đó α là tham s dài bư c, đư c xác đ ố độ ớ ợ ị ở nh b i quy trình tìm ki m sau: ế + Bước 1: ban đầu cho α(k) . = 1 + Bướ ấ ỉ ớ c 2: tính toán x p x m i  (k+1) . + Bướ ế c 3: n u điều ki n ệ  ( (k+1) ) < ( (k) )được thỏamãn thìchuyển sang bước 5, nếu không thì 4. thực hiện bược + Bước 4: độ dài bước giảm một nửa tức là α(k) = 0,5α(k) tiếp chuyển theo đến bước 2. - c 5: chi Bướ ều dài bước α󰉼󰉹c. Một trong các phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu hiệu quả là thuật toán ràng buộc ɛ ɛ ( -constraint) [48]. Trong phương pháp này, mộ ụ t trong các hàm m c tiêu đượ ọ ể ối ưu hóa c ch n đ t f1(x) f trong khi các hàm khác 2(x), f3(x) được chuyển thành các ràng bu sung bi c tiêu, d ộc bổ ến bài toán đa mục tiêu thành đơn mụ ẫn đến m trong ột giải pháp được chứng minh là luôn tối ưu phân bổ Pareto. Thay đổi có hệ th c sung ống các giá trị ủa hàm mục tiêu thành các ràng buộc bổ f2(x) ≤ {ɛ1, ɛ2,.., ɛn} d th d ng ẫn đến việc tạo ra một biên giới Pareto phân bố đều. Đồ ị tượng trưng sử ụ thu t toán c th hi ậ ɛ-constraint đượ ể ện trong Hình 2.2. Hình 2.2. d ng thu -constraint Đồ thị tượng trưng sử ụ ật toán ɛ [48]
20 Ví d : áp d ng thu t toán SQP c tiêu (hai m ụ ụ ậ và gi i a m ɛ-constraint ả bài toán đ ụ ục tiêu): Cho h c tiêu: àm mụ .    ( ) = 3        4      + 30 (2.13) .  ( ) = 2.  1 2.  2 +   . 2 2 + 10 (2.14) V i các ràng bu ớ ộc:  ( ) =    +   = 0  13 (2.15)  ( ) =    0 (2.16)  ( )  = -   0 (2.17)  ( )  =  - 7 0  (2.18)  ( )  =  - 4 0  (2.19)  (  ) = 2     +       80 0 (2.20) Áp d ng thu t toán , hàm m c tiêu ụ ậ ɛ-constraint ụ f2(x) s m t ẽ được chuyển thành ộ ràng bu c phi tuy n ộ ế g7(x). Khi đó bài toán đượ ế ại như sau: c vi t l Hàm m c tiêu: ụ .    ( ) = 3        4      + 30 (2.21) Các ràng buộc:  ( ) =    +   = 0  13 (2.22)  ( ) =    0 (2.23)  ( )  = -   0 (2.24)
21  ( )  =  - 7 0  (2.25)  ( )  =  - 4 0  (2.26)  (  ) = 2     +       80 0 (2.27)  () = 2. 1 2 .  2 +   .  2 2 + 10  󰕂 (2.28) V y ới mỗ ớ i bư c nhả ɛi của ràng buộc g7(x), sẽ ế ả ối ưu tương ứ ủ cho ra k t qu t ng c a hàm m c tiêu ụ f1(x). S d ng thu ử ụ ật toán SQP trong môi trường Matlab để giải bài toán này. L th ( d ựa chọn một giá trị bước nhảy cụ ể ɛ = 70) và sử ụng thuật toán SQP để gi i bài toán trên. ả Hàm m c tiêu: ụ .    ( ) = 3        4      + 30 (2.29) Các ràng buộc:  ( ) =    +   = 0  13 (2.30)  ( ) =    0 (2.31)  ( )  = -   0 (2.32)  ( )  =  - 7 0  (2.33)  ( )  =  - 4 0  (2.34)  (  ) = 2     +       80 0 (2.35)  () = 2. 1 2 .  2 +   .  2 2 + 10  70 (2.36) S d ử ụng thuật toán quy hoạch đa thứ ậ ới điểm ban đầ c b c 2, v u:   = [2 3]. Thứ t t m ự các bước giả ể i đ tìm giá trị ối thiểu của hàm ục tiêu f1(x) được trình bày trong Phụ ụ l c A c a lu . ủ ận án K t qu c sau khi th c hi n 5 l n l p: ế ả thu đượ ự ệ ầ ặ x=   = [1,417 3,315]. Và giá tr c a hàm m c tiêu f(x)= f( ị ủ ụ  )= 15,466.
22 Trong th hi n c th B ng 2.1 ả ể ệ ụ ể các giá trị x1, x2, fi(xi) g1(xi) c a t ng vòng l p. ủ ừ ặ B ng 2.1. K t qu áp d ng thu t toán SQP ả ế ả ụ ậ i     f1( ) g1(xi) 0 2 3 30 0 1 1,6250 3,2500 16,5906 0,2031 2 1,4246 3,3190 15,4134 0,04493 3 1,4183 3,3149 15,4667 5,611e-5 4 1,4172 3,3153 15,4667 1,323e-06 5 1,4172 3,3154 15,4668 3,761e-09 T B ng 2.1 ừ các kết quả áp dụng thuật toán SQP trong ả , có thể xây dựng đặc tính h c ội tụ ủa các biến x1, x2 như ể ện đặ ộ ụ ủ Hình 2.3. Hình 2.4 th hi c tính h i t c a hàm m c tiêu ụ f1(x) g và ràng buộc 1(x). Hình 2.3. K t qu h s d ng thu t toán SQP các bi n x ế ả ội tụ ử ụ ậ ế 1, x2
23 Hình 2.4. K t qu h s d ng thu t toán SQP c a hàm f ế ả ội tụ ử ụ ậ ủ 1(x) và ràng buộc g1(x) Điểm ban đầu x0 = [2 3]T thỏa mãn ràng bu c, v i giá tr hàm m c tiêu ộ ớ ị ụ f1(x) = 30. Sau vòng l p th t, giá tr hàm m c tiêu ặ ứ ấ nh ị ụ f1(x) đã giảm 44, , 69% còn 16 59, tuy ràng bu c ộ g1(x) lại tăng nhả ọ ừ 0 tăng lên 0 y v t (t ,2031), g2(x) -57, = 5547 < 0, trong khi đó các biến x1, x2 f có xu hướ ộ ụ ần. Tương tự ặ ụ ng h i t d sau 5 vòng l p hàm m c tiêu 1(x) đã giả ầ ộ ụ ề ị m d n và h i t v giá tr f1(x)* g = 15,4668, v i ràng bu ớ ộc 1(x) h i t v giá tr ộ ụ ề ị 0 là g1(x)* = 3,76e-9 , tương ứ ớ ị ế ng v i giá tr bi n x1, x2 x là * = [1,4172 3,3154]T . S d ng Matlab ử ụ fmincon là một hàm tích hợp của thuật toán SQP trong công cụ để ế ả ộ ụ ối ưu ế ả ạ ụ ủ tìm k t qu h i t t . Hình 2.5 là k t qu ch y hàm cho ví d fmincon c a các phương trình (2. ) - (2.20) trong matlab. Thu t 13 ật toán ối ưu đượ ụ c trình bày trong Ph l B c a lu n án. ục ủ ậ K h t Hình 2.4 t ết quả ội tụ ối ưu thu được ở ừ tính toán thủ công hoàn toàn trùng kh p v t qu khi s d ng thu t toán SQP (hàm ) trong Matlab. ớ ới kế ả ử ụ ậ fmincon Sau khi có k t qu h i t t c nh y ( = 70), ti p t ng thu t toán ế ả ộ ụ ối ưu tại bướ ả ɛ ế ục áp dụ ậ ɛ-constraint f với hàm mục tiêu 2(x) g đượ ể ộ c chuy n thành ràng bu c 7(x) vớ ớ i các bư c nh y ảy ràng buộc ɛ khác thuộc [10 : 5 : 70]. Với mỗi bước nhả ɛi của hàm mục tiêu f2(x) (hay ràng buộc g7(x)), s cho ra k t qu ẽ ế ả ối ưu tư ứ ủ ụ t ơng ng c a hàm m c tiêu f1(x). T ng h t qu c tiêu ổ ợp kế ả các hàm mụ f1(x) và f2(x) đượ ể ện như trong ả c th hi B ng 2.2.
24 Hình 2.5. K t qu tính toán t ng Matlab ế ả ối ưu mô phỏ B ng 2.2. K t qu hàm m f ả ế ả ục tiêu 1(x) và f2(x) f2(x) = ↋i f1(x) 10 30 15 26,599 20 23,556 25 20,911 30 18,713 35 17,02 40 15,907 45 15,469 50 15,467 55 15,467 60 15,467 65 15,467 70 15,467
25 T ng t th Pareto. D ập hợp các kết quả trong bả trên sẽ ạo ra đồ ị phân bổ ựa vào đặc tính Pareto, t có th m th a mãn các ràng bu i thi u hóa các hàm ừ đó ể chọn điể ỏ ộc và tố ể m c tiêu. Hình 2.6 là k t qu phân b t a hàm m ụ ế ả ổ ối ưu Pareto củ ục tiêu f1(x) f và 2 (x) Hình 2.6. K t qu phân b Pareto hai hàm m ế ả ổ ục tiêu f1(x) và f2(x) ng d ng t i Ứ ụ ố ưu đa mục tiêu động cơ servo Thi t k ng d a vào mô ế ế động cơ nói chung cũng như động cơ servo nói riêng thườ ự hình nguyên m m th i gian và chi phí n xu u th m, ví ẫ ả ể ả u o đ gi ờ sả ấ ẫ t m ử ử ệ và th nghi d nh ụ ững nguyên mẫu được tạo ra dựa vào mô hình hóa bằng phương pháp phần tử h u h n [58] u k thu t mong mu n, bài toán thi ữ ạ . Tuy nhiên để đạt được các yêu cầ ỹ ậ ố ết k t c là công vi n và ph p khi l n ế ối ưu về hình dáng và kích thướ ệc khó khă ức tạ ựa chọ thông s i các hàm ràng bu . Các bài toán thi t k ố ối ưu vớ t ộc [29],[42],[58] ế ế đa mục tiêu đượ ả ối ưu hóa sả ẩ ầ ả ể c tham kh o trong . T [28],[32],[48] n ph m góp ph n gi m thi u chi phí s t cho các doanh nghi t k ản xuấ ệ . Phương pháp thiế p [41] ế ối ưu động cơ t servo không đồ ộ đề ấ ng b xu t trong thông qua [28],[29],[32],[33],[41],[42],[59] phương pháp luậ ụ ầ ề ế ợ n và các công c ph n m m, k t h p các thu t toán t ậ ối ưu hóa và các mô hình đa vật lý. Phương pháp thiế ế ối ưu đề ất đượ ể ện như lưu đồ ậ như trên t k t xu c th hi thu t toán Hình 2.7.
26 Hình 2.7 thi t ng b 3 pha . Lưu đồ ết kế ối ưu đa mục tiêu động cơ servo không đồ ộ K thi t h ết quả ết kế ối ưu được kiểm nghiệm bằng mô phỏng phần tử ữu hạn FEA. Khi có k t qu m tra mô ph ng nhi t c ế ả ể ki ỏ ệ ủa các bộ ận trong động cơ, nếu đạ ph t sẽ cho ra k t qu t k t c ế ả ế thi ế ế k ấu làm mát cho động cơ. ếu không đạ N t sẽ ối ưu thiế t t kế làm mát và ti p t c mô ph ng nhi ế ụ ỏ ệt. Bướ ế ựng mô hình 3D cho độ c ti p theo là xây d ng cơ và ti n đ ế ế ạ ẫ ử ế ạ ệ n hành ch t o m u th . Sau khi ch t o hoàn thi ộng cơ ẫ ử ẽ ế m u th , s ti n hành th m ho ng c t qu ử ệm, đo các thông số ại các điể nghi t ạt độ ủ ộng cơ. Kế a đ ả ử th
27 nghi v thi ki t ệm được so sánh ới kết quả ết kế để ểm tra phương pháp thiết kế ối ưu và sai s trong quá trình ch t o m . ố ế ạ ẫu thử 2.1.3.1. Thông s k thu u thi t k ố ỹ ật yêu cầ ế ế Thi t k u 3 pha, th u sau: ế ế động cơ servo xoay chiề ỏa mãn các yêu cầ - Công su t c i 1 HP (750W) trong d i t ấ ực đạ ả ốc độ [500 : 1000] rpm; - Công su t liên t ,5HP (375W); ấ ục 0 - n c Dòng điệ ực đại ≤ 3 A; - n áp dây c Điệ ực đại ≤ 380V; - T l n nh ốc độ ớ ất 3500 rpm; - nhiên; Động cơ làm mát tự - Chi phí s n xu t. ả ất thấp nhấ 2.1.3.2. Xây d ng bài toán thi t ng c servo ng b 3 pha ự ết kế ối ưu độ ơ không đồ ộ Động cơ servo hoạt độ ầ ời gian đáp ứ ả ớ ng c n th ng nhanh và mômen quá t i l n. Vì v n. ậy động cơ cần có khối lượng nhỏ và mômen lớ Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu c t t ủ ộng cơ ba pha servo không đồ a đ ng bộ 3 pha rotor lồng sóc nhôm, ố ộ c đ ối đa 3500 rpm c xây d ng th hi n thu t toán Hình 2.8: đượ ự ể ệ như lưu đồ ậ Trong đó: - 02 hàm m c tiêu: ụ i thi u hóa kh n t + Tố ể ối lượng điệ ừ động cơ servo Welectrom =f (D, L, U, f2) i c + Tối đa hóa mômen cực đạ ủa động cơ Tm f (D, L, U, f = 2) - V n thi : ới các biế ết kế ng kính trong c a stator + D: Đườ ủ D = [40 – 150] (mm) + L: Chi u dài lõi s t ề ắ L = [30 – 180] (mm) +U n áp dây : Điệ U=[70 – 380](V) +f2: T n s t c ầ ố trượ ủa động cơ f2=[1 – 25] (Hz) - Các hàm ràng buộc: + Công su t c i t i 1000 rpm là 1HP (750W) ấ ực đạ ạ
28 n c + Dòng điệ ực đại cấp cho động cơ ≤ 3 A. n c + Mật độ dòng điệ ực đại ≤ 9 A/mm2 s l y rãnh (s n xu + Hệ ố ấp đầ ả ất) ≤ 75% n áp dây c + Điệ ực đại ≤ 380 V Hình 2.8 thu t toán t p -constraint . Lưu đồ ậ ối ưu hai mục tiêu SQP kết hợ ɛ Trình t c tính toán trong m ng b 3 pha ự ớ các bư ô hình động cơ servo không đồ ộ rotor [44,], [61] th hi Hình 2.9. V d - n ể ện như ật liệu sử ụng thép M800 50A, dây dẫ
29 b l C c ằng đồng và lồng sóc nhôm. Chi tiết mô hình tính toán thiết kế xem Phụ ục ủa lu n án. ậ Hình 2.9. Trình tự các bước thiết kế Hai m c tiêu mâu thu n: t i và gi ụ ẫn nhau được chọ ối đa hóa mômen cự ạ c đ ả ể m thi u kh c ối lượng điện từ ủ ộng cơ (mạ a đ ch từ stator/rotor, dây quấn stator bằng đồng và l ng tr i ồng rotor bằng nhôm). Các biến thiết kế thay đổi sẽ ảnh hưở ực tiếp đến khố lượ ực đạ ủa động cơ.. ng và mômen c i c Xu gi ất phát từ các yêu cầu thiết kế động cơ servo, tiến hành xây dựng mô hình ải tích v động cơ servo không đồng bộ 3 pha trong môi trường matlab ới các biến thiết k , ràng bu c và hàm m n. ế ộ ục tiêu như trê Áp d ng thu t toán t n hàm m c tiêu c i mômen ụ ậ ối ưu hóa ɛ-constraint chuyể ụ ự ạ c đ Tm y thành ràng buộc bổ sung vớ ớ i các bư c nhả ɛi 2:0,5:19 = [1 ]. Hàm mục tiêu cực ti u hóa kh c gi nguyên. ể ối lượng đượ ữ
30 S d l ử ụng thuật toán fmincon (SQP) tích hợp trong matlab để chạy tối ưu (Phụ ục D). N u quá trình ch t toán ng v i t c nh y ế ạy thuậ ứ ớ ừng bướ ả ɛi ( ) h i t , k t qu t i Tmi ộ ụ ế ả ố ưu tương ứng đạt đượ ối lượ ự ể ỏ ộ c chính là kh ng c c ti u (Wi) th a mãn các ràng bu c yêu c u. ầ T ng – ) t o t ập hợ ể p các đi m khối lượ mômen (Wi, Tmi ạ thành đặc tính phân bổ ối ưu Pareto. N v k t ếu quá trình chạy thuật toán không hội tụ ề ết quả ối ưu, tiến hành lựa chọ ạ điể đầ ặ ạ n l i m ban u và l p l i quy trình. K t ết quả phân bổ ối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu khối lượng và mômen cực đại đượ ễ ễ ở c bi u di n Hình 2.10. Hình 2.10 c tính phân b t . Đặ ố ối ưu Pareto theo hai hàm mục tiêu Trên đồ ị đặ ố ối ưu Pareto, đ ể ♦) là điể ự ọ ế ế ố th c tính phân b t i m ( m l a ch n thi t k t i ưu động cơ servo không đồ ộ . Động cơ đượ ọ ực đạ ng b 3 pha c ch n có mômen c i là 15 N.m v n t t i thi u là 9,52 kg. ới khối lượng điệ ừ ố ể Các giá tr hàm m c tiêu và các thông s ị ụ ố ế thi t kế chính của động cơ này được trình bày chi ti B ng 2.3. ết trong ả
31 B ng 2.3. K t qu m thông s chính c a thi t ả ế ả ột số ố ủ ết kế ối ưu động cơ servo không đồ ộ ng b Thông số Đơn vị Thiết kế tối ưu Thiết kế không tối ưu Mômen cực đại 15 15,1 N.m Khối lượng phần điện từ kg 9,52 12,4 Khối lượng rotor kg 2,8 3,9 Đường kính ngoài/trong stator 140,4 / 83,2 154 / 91,3 mm Đường kính ngoài/trong rotor 82,2 / 17 90,4/18,7 mm Số rãnh của stator/rotor - 36 / 48 36/48 Số cực - 6 6 Chiều dài mạch từ 90,1 99,2 mm Số vòng dây quấn trong 1 rãnh - 105 94 Điện áp dây đặt vào động cơ servo V 360 380 Mật độ dòng điện stator 9 9 A/mm2 Dòng điện stator A 2,99 3 Chi u dày stator ề răng mm 3,3 3,6 Chi u cao rãnh stator ề mm 18,1 18 Chi u dày rotor ề răng mm 3,02 4,9 Chi u cao rãnh rotor ề mm 8,05 8,7 2.1.3.3. Đặc tính động cơ tối ưu - Xây d c tính ch làm vi ng nét t ---- ựng các đặ ế độ ệc cự ại (đườ c đ đứ ). Đặ ự ạ ố ộ đượ ể ễn như ậ ợ c tính mômen c c đ i – t c đ c bi u di Hình 2.11 là t p h p các giá trị mômen cự ạ c đ i tại các điểm tố ộ c đ khác nhau. Tại mỗi điểm tố ộ c đ , mômen cực đại đượ ị ệ ự ọ ị điệ ầ ố ợ c xác đ nh thông qua vi c l a ch n giá tr n áp và t ( ) U n s ( ) f phù h p thỏa mãn các ràng buộc về dòng điệ ấ n trong dây qu n stator Is ≤ 3 A, điện áp dây U ≤ 380 V. - Xây d c tính ch làm vi c liên t ng nét li n ). ựng các đặ ế độ ệ ục (đườ ề Ch c liên t c ph c tính toán và l ế độ làm việ ụ ải đượ ựa chọn để cho độ tăng nhiệt của vật liệu cách điện củ ộng cơ không vượt qua độ a đ tăng nhiệt cho phép, đảm bảo cho v n ật liệ ệ u cách đi n làm việc lâu dài. Lựa chọn mậ ộ t đ dòng điệ J = 4,5 A/mm2 (Theo B ng 2.4), l ( nh ả ựa chọn giá trị điện áp (U) và tần số f) phù hợp để xác đị mômen tại
32 các đi c đ i các đi ể ố m t ộ ậ ợ ị ạ khác nhau. T p h p các giá tr mômen t ể ựng đượ m, xây d c đặ ốc độ ủa động cơ hoạt độ ở ế độ ụ như c tính mômen – t c ng ch liên t c Hình 2.11. B ng 2.4. L c làm mát và m n ả ựa chọn phương thứ ật độ dòng điệ [62] Phương thứ ự ạ ấ ỏ c làm mát T nhiên Qu t Ch t l ng M n (A/mm ật độ dòng điệ 2 ) 1,5 – 5 1 - 10 10 - 30 Hình 2.11 c tính mômen t c . Đặ theo ố ộ c đ ủa động cơ tối ưu D s ựa vào kết quả các giá trị mômen tại các điểm tố ộ c đ khác nhau, ẽ tính toán đượ ấ ủ ộng cơ tương ứ ở ế độ ệ ụ ắ ạ ậ c công su t c a đ ng ch làm vi c liên t c và ng n h n. T p hợp các giá trị công suất tại các điể ố ộ ựng đượ ặ m t c đ khác nhau, xây d c đ c tính công su Hình 2.12 ất tạ ể i các đi m làm việc ngắn hạn và liên tục như . Công suất động cơ th a mãn yêu c u ỏ ầ đề bài đưa ra. Hình 2.13, Hình 2.14 là các đặc tính điện áp và dòng điệ ạ ể ố ộ n t i các đi m t c đ khác nhau, th n áp n ỏa mãn các ràng buộc về điệ U ≤ 380 V, dòng điệ Is ≤ 3 A. Trên Hình 2.13, tạ ể i các đi m hoạt động ngắn hạn với n < 550 rpm, điện áp tối ưu U n U < 380V. Đố ới các điể i v m ≥ 550 rpm, điện áp = 380V. Tương tự đối với các điể ạt độ ở ế độ ụ ớ < 1000 rpm, điệ ối ưu m ho ng ch liên t c, v i n n áp t U n < 380V, ≥ 1000 rpm, = 380V. U
33 Hình 2.12 c tính công su t theo t . Đặ ấ ố ộ c đ Trên Hình 2.14 tại tất cả các điểm hoạ ộng đề t đ u thỏa mãn ràng buộc dòng điện stator T Is ≤ 3 A. ại các điểm làm việc trên đường đặc tính cự ạ c đ i, khi n ≥ 550 rpm, dòng điệ ả ầ n stator Is gi m d n. Hình 2.13 n áp dây theo t . Đặc tính điệ ố ộ c đ
34 Hình 2.14 n stator theo t . Đặc tính dòng điệ ố ộ c đ 2.2 Mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS Electronics là ph n m m mô ph n t ầ ề ỏ trường điệ ng ừ hàng đầu cho các kỹ sư thiế ế ế ị điệ ử ụng phương pháp phầ ử t k và phân tích các thi t b n 3D và 2D, khi s d n t h n gi i . M ng th ữu hạ để ả các bài toán trường điện từ ột trong nhữ ưu ế quan trọng của ANSYS Electronics là quá trình tính toán t n xác minh hình h c, tính ự độ ỉ ầ ng: ch c ọ chấ ậ ệu và đầ ố ự độ ạ lướ ợ ệ t v t li u ra mong mu n. ANSYS t ng t o và chia i thích h p, hi u qu gi i h n A) [63]. ả và chính xác để ả bài toán theo phương pháp phần tử ữu hạ (FE . Phầ ềm này đượ ế ế đặ ệ ể ỏng trường điệ ừ n m c thi t k c bi t đ mô ph n t [64] cho chính xác phép d ng c t b n. ự đoán hoạt độ ủa các thiế ị điện và cơ điệ Lý thuy t nghiêng rãnh rotor ế T thông khe h không khí gây ra b i dây qu n hình ừ ở ở ấn stator 3 pha mang dòng điệ sin. Th t, d ng sóng có th i Fourier t ực chấ ạ ể được phân tích dưới dạ ỗ ng chu ức bằng t ng các sóng sin c n s b c 1 (b ổ ủa tầ ố ậ ậ ả c cơ b n) và các bậc sóng hài cao hơn. Do tính đố ứ ạ ậ ẵ ị i x ng trong d ng sóng nên các sóng hài b c ch n (2,4,6, …) b loại bỏ trong chuỗi Fourier. Như vậ ẽ ằ ổ ậ ẻ y, sóng không sin s b ng t ng các sóng hài b c l (3, 5, 7, 9, 11, …) M rung, ng n ômen của sóng hài sẽ làm cho máy bị gây tiế ồ , tổn hao nhiều hơn cũng như hiệ ấ ủ động cơ ấp hơn u su t c a th [65],[66].
35 Để ể ệ ữ ầ ủ ầ ố ậc cao này, ngườ ẽ ử ụ có th tri t tiêu nh ng thành ph n c a t n s b i ta s s d ng phương pháp là nghiêng rãnh rotor. Bằ ẽ ị ả ểu đáng ng cách này, sóng hài s b gi m thi k m ng ể. Tuy nhiên, nghiêng rãnh rotor sẽ làm giảm một lượng suất điệ ộ n đ ng cả ứ c gi n ủa tần số cơ bản trong thanh dẫn rotor, làm yếu đi liên kết điện từ ữa dây quấ stator v i rotor. hi làm nghiêng rãnh, thanh d n s i thanh d n th ớ K ẫ ẽ dài hơn so vớ ẫ ẳng. Do v n tr n nghiêng s l n hao, mômen gi m. ậy, điệ ở thanh dẫ ẽ ớn hơn dẫn đến tăng tổ ả Để ả ộ ầ ả ả ủ ức điện độ gi m các dao đ ng mômen, c n ph i gi m các sóng hài c a s ng (EMF). Một giải pháp hữu hiệu là làm nghiêng thanh d n r ẫ otor [67] Hình 2.15) . EMF ( v i rotor rãnh nghiêng có th c bi u th ớ ể đượ ể ị như sau:  =  . . .      ξ 2  ξ 2 (2.37) Trong m t otor n rotor (v đó: ật độ ừ thông (Bm), chiều dài r (L), vận tốc tiếp tuyế ), bướ ực (τ), khoả ữa điểm đầu và điể ố ủ c c ng cách gi m cu i c a thanh rotor (ξ). Hình 2.15. S ng c ng trong thanh d n rotor ức điện độ ảm ứ ẫ [67] Mô ph ng so sánh rãnh nghiêng rotor và rãnh th ng ỏ ẳ Sự so sánh giữa thiết kế rãnh thẳng và thiết kế rãnh nghiêng được thực hiện với phân tích ph n t u h ầ ử ữ h ạn [68],[69]. Trong FEA, mạch từ được mô hình bởi một lưới
36 các phầ ử ỏ ị sau đó đượ ả n t nh . Các giá tr c gi đị đơn giả ủ ị nh là hàm n c a v trí bên trong các phầ ử ộ ế ả ể ố đặ n t này, cho phép n i suy k t qu . FEA có th thông s tính toán các và c tính c n c m, mômen, ủ ộng cơ servo, như mậ ộ ừ thông, điệ a đ t đ t ả …. Phương pháp mô hình hóa này có kh v servo thi t k . ả năng mô tả chính xác và đầy đủ ề động cơ ế ế Tiến hành mô phỏng FEA tương ứng với các giá trị góc nghiêng rotor khác nhau. K t qu nh B ng 2.5. ế ả mômen và độ ấp nhô thu được như trong ả B ng 2.5. Giá tr nh p nhô theo góc nghiêng rotor ả ị mômen và độ ấ Góc nghiêng (độ) Mômen trung bình (N.m) Độ nhấp nhô (%) 0 15,01 10,66 2,5 14,97 10,29 5 14,85 8,22 7,5 14,66 5,46 10 14,4 4,72 15 13,7 4,38 Hình 2. bi nh nghiêng 16 ểu diễn kết quả mômen trung bình và độ ấp nhô theo góc rotor. Dựa vào đồ ị th có th n góc nghiêng t ể ọ ch ối ưu nhất. Tại điểm góc nghiêng 7,50 (tương ứng góc nghiêng 1 rãnh), độ ấ ả ề nh p nhô mômen gi m nhi u trong khi mômen trung bình gi p nhô gi m ti p tuy ảm không đáng kể. Khi tăng góc nghiêng, độ ấ nh ả ế nhiên không nhi u. Vì v n nghiêng 1 rãnh rotor cho thi t k ề ậy, động cơ được lựa chọ ế ế t . ối ưu Hình 2.16. K t qu mô ph nh p nhô theo góc nghiêng ế ả ỏng FEA mômen và độ ấ
37 Hình 2. , Hình 2.18 17 cho thấy mô phỏng FEA 2D của mômen cự ạ c đ i tại n = 500rpm ng và mômen trung trong trường hợp rãnh thẳ rãnh rotor nghiêng. Kết quả bình thu đượ ớ c là 14, . 66 N m, v i 2,98 A, dao động mômen là 0, . 8 N m khi rãnh nghiêng (Hình 2.17 , . men c i là 1,6 ) so với 15 01 N m (cùng dòng điện) và dao động mô ự ạ c đ N. ng (Hình 2.18 m khi rãnh thẳ ). Dao động mômen gi i ảm 50% vớ giá trị mômen trung bình gi m 2, . ả chỉ 3% Hình 2.17. K t qu mô ph ng mômen c i 500 rpm rotor rãnh nghiêng ế ả ỏ ự ạ c đ i tạ Hình 2.18. K t qu mô ph ng mômen c i 500 rpm rotor rãnh ng ế ả ỏ ự ạ c đ i tạ thẳ -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Dòng điện (A) Mômen (N.m) Thời gian (ms) Mô phỏng FEA 2D, mômen tại 500 rpm Mômen Ia Ib Ic -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Dòng điện (A) Mômen (N.m) Thời gian (ms) Mô phỏng FEA 2D, mômen tại 500 rpm Mômen Ia Ib Ic
38 Tương tự ế ả ỏ ủ ạ ế , khi so sánh k t qu mô ph ng FEA 2D c a mômen t i n = 3500rpm. K t qu , . , . ả mômen trung bình thu được là 0 4 N m, dao động mômen 0 056 N m khi rãnh nghiêng (Hình 2. , . men c i 19) so với 0 43 N m (cùng dòng điện) và dao động mô ự ạ c đ là 0 125 N m khi rãnh th ng ( ng mô m 55% v i giá tr , . ẳ Hình 2.20). Dao độ men giả ớ ị mômen trung bình gi m 7%. ả Hình 2.19. K t qu mô ph ng mômen c i 3500 rpm, rotor rãnh nghiêng ế ả ỏ ự ạ c đ i tạ Hình 2.20. K t qu mô ph ng mômen c i 3500 rpm, rotor rãnh th ng ế ả ỏ ự ạ c đ i tạ ẳ
39 Tiến hành mô phỏng FEA tại một số điểm hoạt động (tố ộ c đ ) khác nhau. So sánh v t ới thiết kế ối ưu, kế ả đượ ể t qu c th hiện như trong Hình 2.21. Các kế ả ỏ t qu mô ph ng FEA c thi t ở chế độ ự ạ c đ i và liên tục khi so sánh với kết quả ết kế ối ưu, sai số nhỏ hơn 10%. Hình 2.21. So sánh mô ph ng FEA và thi t ỏ ết kế ối ưu 2.3 Kết luận chương 2 N t ng s ội dung chương 2 đã trình bày một phương pháp mới thiết kế ối ưu độ cơ ử d t ụng các thuật toán trên cơ sở ối ưu các thông số ế ấ k t c u, n, điều khiể ứng dụng cho động cơ servo không đồ ộ ồ Phương pháp thiế ế ử ụ ng b 3 pha rotor l ng sóc. t k s d ng thuật toán tối ưu hóa, nhằ ả ặ ế ạ ẫ ử ố ề m gi m các vòng l p ch t o m u th t n kém v chi phí và thời gian của phương pháp thiế ế máy điệ ề ố t k n “truy n th ng”. D a ự trên phân bổ Pareto đưa ra phương án lự ọ ố ấ ữ ối lượng điệ ừ ự ạ a ch n t t nh t gi a kh n t và mômen c c đ i sau khi đánh giá mô hình bằ ậ ế ợ ậ ạch đa ng thu t toán ɛ-constraint k t h p thu t toán quy ho th (SQP) trong Matlab. M t thi t c tính phân ức bậc 2 ộ ết kế ối ưu được lựa chọn trên đặ bố Pareto với khối lượng điệ ừ ự ạ ạt đượ ộ n t , là 9 52 kg, mômen c c đ i đ c là 15 N m. M . t thiết kế khác có thể làm tăng mômen cự ại nhưng vớ ối lượ ớn hơn. Đặ c đ i kh ng l c tính mômen – t c ng b c xây d ng v m ho t ốc độ ủa động cơ servo không đồ ộ đượ ự ới các điể ạ
40 độ ố ng t i ưu củ ế a ch độ làm vi c liên t ệ ục và chế độ cực đại. Thiết kế rotor rãnh nghiêng đượ ớ ẳ ờ ỏ ối ưu c so sánh v i rotor rãnh th ng nh phân tích mô ph ng FEA. Góc nghiêng t l ,5 ựa chọn cho thiết kế động cơ là 7 0 C (tương ứng góc nghiêng 1 rãnh). Mô phỏng FEA t i m t s m ho ng khác nhau (t m nghi m mô ạ ộ ố điể ạt độ ố ộ khác nhau) để ể c đ ki ệ hình thi t gi ết kế ối ưu. Kết quả sai số ữa hai mô hình thấp hơn 10%. Các kết quả chương 2 đượ ố ố c công b trong bài báo s [3], [6].
41 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘNG CƠ SERVO 3.1 Phân tích nhiệt trong động cơ t v Đặ ấn đề Khi động cơ ệ ẽ làm vi c s sinh ra t n hao, bi n thành nhi ổ ế ệt năng và làm nóng các bộ ph n c n. T ậ ủ ộng cơ a đ , làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ cách điệ ổn hao càng lớn thì hi p. ệu suất động cơ càng thấ Khi trạng thái nhiệt trong động cơ ổn định thì toàn bộ nhi t ệ lượng thoát ra môi trườ ờ ng xung quanh nh sự chênh l ch nhi ệ ệt giữa các bộ ph n ậ c ng bên ngoài. ủa động cơ và môi trườ T ng b g m các lo i sau: ổn hao trong động cơ không đồ ộ ồ ạ - T ng trên dây qu n stator p ổn hao đồ ấ Cu - T ng trên thanh d n rotor p ổn hao đồ ẫ Al - T tr ng ổn hao sắt trong stator và rotor do từ ễ và dòng điện xoáy của từ trườ chính sinh ra trong lõi s t ắ p . - T qu t gió ổn hao cơ do ma sát, ạ p. - T n hao ph p ổ ụ stray. T n nhi t trong thông qua hai hình th c: truy n nhi t trong v t r n và t ả ệ động cơ ứ ề ệ ậ ắ ản nhi b [70],[71]. Gi t t là v n ệt nhờ ức xạ ố , đ i lưu ải quyế bài toán ản nhiệt cho động cơ ấ đề ọ ế ế ệ ặ ẽ đế ệ quan tr ng khi thi t k . Quá trình tính toán nhi t liên quan ch t ch n vi c làm nguội và xác đ nh đ ị ộ tăng nhiệt θ cho phép giữ ấ a dây qu n động cơ và môi trường bên ngoài. V y t ật liệ ệ u cách đi n là một trong những vật liệu chủ ếu dùng trong ngành chế ạo máy điên. Khi thiế ế ự ọ ậ ệu cách điệ ộ ấ ọ ả t k , l a ch n v t li n là m t khâu r t quan tr ng vì ph i đả ả ệ ố ớ ổ ọ ất định, đồ ờ ủ ạ m b o máy làm vi c t t v i tu i th nh ng th i giá thành c a máy l i không cao [72]–[74]. Khi ch n v t li n c ng v sau: ọ ậ ệu cách điệ ần chú ý đến nhữ ấn đề - Vật liệu cách đ ệ ả ộ ề ị ụ ọ ố ị ệ i n ph i có đ b n cao, ch u tác d ng cơ h c t t, ch u nhi t và d n nhi t t t l i ít th ẫ ệ ố ạ ấm nước. - Phải chọn vật liệu cách điện có tính cách điện cao để đảm bảo thời gian làm việc của máy trong điề ệ ệc bình thường, đồ ờ ả ả ủ u ki n làm vi ng th i đ m b o giá thành c a máy không cao. - M c ột trong những yếu tố cơ bản nhất là làm giảm tuổi thọ ủa vật liệu cách điện (cũng là tuổ ọ ủ ệt độ ế ệt độ vượ ệt độ i th c a máy) là nhi . N u nhi t quá nhi cho phép
42 thì chất điện môi, độ ề ọ ủ ậ ệ ảm đi nhiề ẫ ế ự b n cơ h c c a v t li u gi u, d n đ n s già hóa nhanh chóng chất cách điện. Hiện nay, theo nhiệt độ cho phép của vật liệu (nhiệt độ mà vật liệu cách điện làm vi u ki n làm vi y ban n qu ệc tốt ở điề ệ ệc bình thườ Ủ ng), k thu ỹ ậ ệ t đi ố ế t t (IEC) - tương ứ ớ ẩ ệ đã chia vậ ệu cách điệ ng v i Tiêu chu n Vi t Nam TCVN 8086:2009 t li n thành các c B ng 3.1: ấp như ả B ng 3.1. Nhi gi ng các c p n ả ệt độ ới hạn tương ứ ấ cách điệ C p n ấ cách điệ Nhi gi i h a dây qu n ( C) ệt độ ớ ạn củ ấ ° C p Y 90 ấ C p A 105 ấ C p E 120 ấ C p B 130 ấ C p F 155 ấ C p H 180 ấ C p C >180 ấ Tu d c…mà ỳ theo yêu cầu thực tế trong sử ụng động cơ servo, môi trường làm việ các nhà thi t k n c phù h p, ph n v t li ế ế ẽ ự s l a chọ ấ ệ p cách đi n ợ ụ ộ thu c vào lựa chọ ậ ệu cách điện, tính toán phát nóng và làm mát. Nguyên lí cơ bả ề n v truyền nhiệt và dẫn nhiệt trong động cơ Ngu y ồn nhiệt chủ ếu trong động cơ là tổn hao trong dây quấn và lõi sắt. Nếu cần đi sâu vào quá trình nhiệ ộ ấ ắ ả ứ ự ẫ t đ trong dây qu n và lõi s t thì ph i nghiên c u s d n nhi t và truy n nhi t theo nhi u chi , vi c tính toán nhi c ệ ề ệ ề ều. Nhưng vì thực tế ệ ệt chỉ ho nh g thi n, ững kết quả ần đúng cho nên để đơn giản việc tính toán, giả ết rằng dây quấ lõi s t stator, thanh d n rotor là nh ng kh i có tính d t l ắ ẫ ữ ố ẫn nhiệ ấ t r ớn, nghĩa là những kh t [61],[75]. ối đẳng nhiệ

Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ Servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.pdf

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Similar a Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ Servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.pdf(20)

Mais de RealTEQ Club(20)

Último(20)

Nghiên cứu thiết kế tối ưu động cơ Servo không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.pdf