Phân tích tác động của độ mở miệng rãnh và chiều dài nam châm đến mô men đập mạch ở động cơ bldc rotor ngoài ứng dụng trong quân sự

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 70 N. V. Anh, , N. M. Dũng, “Phân tích tác động của độ mở  ứng dụng trong quân sự.” 
PHÂN TÍCH TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘ MỞ MIỆNG RÃNH 
VÀ CHIỀU DÀI NAM CHÂM ĐẾN MÔ MEN ĐẬP MẠCH 
Ở ĐỘNG CƠ BLDC ROTOR NGOÀI ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ 
Nguyễn Việt Anh1, Phùng Anh Tuấn2*, Phạm Hùng Phi2, Nguyễn Mạnh Dũng2 
Tóm tắt: Động cơ một chiều không chổi than BLDC (BrushLess Direct current) ngày 
càng được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm cấu tạo tương đối đơn giản, hiệu suất cao, 
khả năng điều chỉnh tốc độ tốt. Tuy nhiên một trong những nhược điểm của nó là mô-men 
đập mạch có giá trị lớn trong quá trình làm việc. Giảm mô-men đập mạch là một trong 
những mục tiêu quan trọng của việc thiết kế chế tạo động cơ BLDC. Đặc biệt, trong các 
ứng dụng quân sự, mô-men đập mạch gây ra rung động và tiếng ồn không mong muốn. 
Trong bài báo, tác giả phân tích những yếu tố ảnh hưởng tới mô-men và biên độ mô-men 
đập mạch. Kết quả mô phỏng kiểm nghiệm ảnh hưởng của răng/rãnh và kích thước nam 
châm động cơ BLDC tới giá trị mô-men đập mạch. Qua đó tác giả đưa ra phương án về 
thiết kế độ mở miệng rãnh stator và độ phủ nam châm để giảm thiểu ảnh hưởng này đến 
chất lượng mô-men và đặc tính làm việc của động cơ. 
Từ khóa: Mô-men đập mạch; BLDC; Hệ số Carter; Thông số miệng rãnh; Mô hình từ tản răng stator. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh 
cửu (PMSM) có ưu thế mật độ công suất lớn, hiệu suất làm việc cao. Mặc dù vậy, mô-men đập 
mạch lớn do cấu trúc chế tạo gây ra rung động, tiếng ồn và ảnh hưởng nghiêm trọng đến các đặc 
tính làm việc của hệ thống. Để đảm bảo sự vận hành trơn tru của BLDC, nhiều nghiên cứu đã 
được thực hiện với mục đích giảm mô-men đập mạch bằng cách thay đổi độ mở miệng rãnh [5]; 
thêm các rãnh phụ [6] hoặc thay đổi đổi cấu trúc rotor [7]; tối ưu bước nghiêng rãnh [8]. Việc tối 
ưu hóa đặc tính mô-men của loại động cơ này đang là bài toán được quan tâm rộng rãi. 
 Trong lĩnh vực quân sự, loại động cơ có mật độ công suất cao là rất phù hợp. Tuy nhiên, đi 
cùng với mục đích sử dụng thì yêu cầu chất lượng của đặc tính cơ ở động cơ phải đạt được mức 
cao. Do vậy, giảm mô-men đập mạch của động cơ BLDC nhằm đưa động cơ này ứng dụng trong 
quân sự là một nhu cầu hiện hữu và cần được giải quyết. 
Khảo sát về mối quan hệ giữa độ mở miệng rãnh (bs0) và độ phủ nam châm (α) ảnh hưởng đến 
mô-men đập mạch được trình bày trong nghiên cứu này. Một dải các thông số (bs0, α) hiệu quả 
để giúp ích cho việc nghiên cứu giảm mô-men đập mạch sẽ được đề xuất ở phần kết luận. 
Hình 1. Mô hình tương đương của động cơ BLDC một 
đôi cực [1, 2]. 
Hình 2. Giản đồ đường đi từ thông. 
Xét mô hình động cơ một chiều không chổi than với mạch từ và thanh nam châm như hình 
1a. Khi động cơ hoạt động, có sự dịch chuyển tương đối giữa nam châm và mạch từ. Đồ thị hình 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 70, 12 - 2020 71 
1b mô tả quá trình thay đổi vị trí của thanh nam châm kéo theo sự thay đổi của giá trị mô-men 
được gọi là mô-men đập mạch [1, 2]. 
Với giả thiết có được một khe hở không khí đồng đều giữa stator và nam châm, mô-men điện 
từ sinh ra nhờ sự biến thiên năng lượng theo vị trí góc của rotor (θ). 
∑ 
 (1) 
∑ 
 (2) 
Mô-men đập mạch (cogging torque) phát sinh có thể được tính bằng cách giải phương trình 
(2) với i=0. 
∑ 
 (3) 
Giá trị mô-men này phụ thuộc vào biến thiên từ trở theo công thức (3). Đây chính là nguyên 
nhân gây ra sự nhấp nhô mô-men ở đầu trục của động cơ. 
Chu kì của mô-men đập mạch phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Cụ thể là bội chung nhỏ nhất 
của số cực rotor (số nam châm gắn trên rotor) và số rãnh stator. 
 (4) 
Từ thông dưới một bước cực gồm hai phần, một phần đi trực tiếp giữa stator và rotor qua khe 
hở không khí (Pc) và một phần kéo dài qua miệng rãnh hở (Pa,b) như trong hình 3 [3]. 
Hình 3. Từ thông khe hở không khí [3]. Hình 4. Từ trường tản rãnh stator [1, 2]. 
Hệ số 
 được dùng để đánh giá sự chênh lệch giữa từ thông của hai thành phần này. Khi 
động cơ làm việc, do cấu trúc của rãnh không phải là rãnh thẳng, các đường sức từ sẽ phân bố 
sao cho đạt được đường đi ngắn nhất. Điều này sẽ dẫn tới sự bão hòa một phần mũ răng (hình 4) 
[1, 2]. 
2. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ LÊN MÔ-MEN ĐẬP MẠCH 
2.1. Đặc tính làm việc của nam châm vĩnh cửu trong động cơ BLDC 
Trên đường cong khử từ của nam châm, ta thiết kế nam châm làm việc trong phạm vi tuyến 
tính. Khi đó phương đường thẳng B=f(H) có dạng: 
 (5) 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 72 N. V. Anh, , N. M. Dũng, “Phân tích tác động của độ mở  ứng dụng trong quân sự.” 
Hình 5. Mô hình tuyến tính hóa đường cong 
khử từ của nam châm vĩnh cửu [1, 2]. 
Hình 6. Sơ đồ mạch tương đương rút gọn chưa 
tính phản ứng phần ứng. 
Từ đó ta có thể tính được từ thông tại điểm làm việc của nam châm theo công thức: 
 (6) 
Với sự tương đồng giữa mạch điện và mạch từ, ta có thể coi nam châm vĩnh cửu là một nguồn 
dòng ϕr mắc song song với Rm. Xét trong một vòng kín từ thông móc vòng qua 2 nửa nam châm 
liền kề nhau ta có sơ đồ mạch từ trong hình 6. 
Từ đây rút ra được phương trình từ trường tại khe hở không khí: 
 (7) 
2.2. Độ mở miệng rãnh 
Để đơn giản hóa mô hình tính toán ảnh hưởng của độ mở miệng rãnh, ta tiếp cận nguyên lý 
của F.W.Carter. Carter đưa ra cách tiếp cận vấn đề ảnh hưởng của rãnh stator cho việc phân tích 
và thiết kế máy điện nói chung. Theo đó, ảnh hưởng của rãnh stator được thể hiện ở bề rộng khe 
hở không khí g khi này sẽ trở thành gC. 
Hình 7. Giá trị mật độ từ thông của một cặp cực nam châm với ảnh hưởng của độ mở miệng 
rãnh stator theo hệ số Carter [4]. 
Với gC là chiều dài khe hở không khí theo nguyên lý của F.W.Carter. Từ đó ta có phương 
trình liên hệ mật độ từ thông suy giảm bởi độ mở miệng rãnh: 
 (8) 
Các biểu thức để xác định trong công thức tính hệ số Carter là [4]: 
C s
C
s
g
k
g g

 

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 70, 12 - 2020 73 
[
 √ 
 ] (9) 
[
 ] (10) 
[ 
 √ 
 ] (11) 
Ở phần tiếp theo, tác giả sẽ xây dựng mô hình mô phỏng để đánh giá tác động của các thông 
số liệt kê ở trên lên mô-men đập mạch. Sự thay đổi của mô-men đập mạch theo các thông số đó 
sẽ là các gợi ý để thực hiện việc lựa chọn các thông số có ảnh hưởng đáng kể và dẫn hướng cho 
các nghiên cứu tiếp theo. 
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC THÔNG SỐ LÊN MÔ-
MEN ĐẬP MẠCH 
3.1. Thông số động cơ 
Thông số động cơ thiết kế và rãnh stator lần lượt như trong bảng 1, 2. 
Bảng 1. Thông số động cơ. 
Thông số Giá trị Đơn vị 
Số pha 3 pha 
Số cực 16 Cực 
Số rãnh 12 rãnh 
Số thanh dẫn một rãnh 1600 thanh 
Kiểu đấu đây Y 
Điện áp DC 127 V 
Tốc độ 190 v/p 
Đường kính ngoài stator 132 mm 
Đường kính trong stator 40 mm 
Đường kính ngoài rotor 150 mm 
Đường kính trong rotor 133 mm 
Chiều dài tác dụng mạch từ 8 mm 
Chiều dài tác dụng nam châm 25,84 mm 
Độ dày nam châm 8,25 mm 
Đường kính dây dẫn 0,25 mm 
Loại thép kỹ thuật C45 
Loại nam châm Y30BH 
Bảng 2. Thông số rãnh stator. 
Thông số Giá trị Đơn vị 
Độ rộng đáy lớn 17,4 mm 
Độ rộng đáy nhỏ 13 mm 
Độ cao hiệu dụng rãnh 15 mm 
Độ cao miệng rãnh 2 mm 
Độ cao nêm rãnh 2 mm 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 74 N. V. Anh, , N. M. Dũng, “Phân tích tác động của độ mở  ứng dụng trong quân sự.” 
3.2. Khảo sát kích thƣớc rãnh và chiều dài của nam châm so với bƣớc cực 
Từ những phân tích ở trên, có thể lựa chọn khoảng thiết kế thông số miệng rãnh stator và độ 
phủ của nam châm như bảng 3. 
Bảng 3. Thông số thiết kế. 
Thông số Ký hiệu Khoảng giá trị Bƣớc khảo sát Đơn vị 
Độ mở miệng rãnh bs0 2-4 0,5 mm 
Độ phủ nam châm α 60-80 2,5 % 
Bằng cách sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để mô phỏng động cơ BLDC trên, có thể quan 
sát ảnh hưởng của hai thông số trên đến giá trị mô-men đập mạch và các thông số khác của động 
cơ nhằm đảm bảo yêu cầu giả thiết ban đầu. 
Hình 8. Giá trị mô men đập mạch theo độ mở miệng rãnh và độ phủ nam châm. 
Trong hình 8 cho thấy quan hệ phi tuyến giữa độ mở miệng rãnh và độ phủ nam châm. Chênh 
lệch giữa giá trị lớn nhất (bs0=4mm; α=80%) và nhỏ nhất (bs0=2mm; α=67,5%) khoảng 10 lần. 
Hình 9. Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của mô men đập mạch (---: Mô-men đập mạch lớn nhất ứng 
với giá trị α=0,8 và bs0=4mm; —: Mô-men đập mạch nhỏ nhất ứng với giá trị α=0,675 và 
bs0=2mm). 
Từ hình 10 cho thấy với dải phân tích đã lựa chọn thì giá trị của từ thông khe hở không khí 
nằm trong dải từ 1-1,06 T. Với giá trị này, hoàn toàn có thể thiết kế kích thước rãnh stator sao 
cho vẫn đảm bảo vật liệu thép làm việc trong vùng tuyến tính. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 70, 12 - 2020 75 
Hình 10. Mật độ từ thông khe hở không khí 
theo bs0 và α. 
Hình 11. Tốc độ định mức theo 
bs0 và α. 
. 
Hình 12. Mật độ từ thông trong động cơ tại bs0=2mm; α=67,5%. 
Từ những kết quả trên, có thể thấy tồn tại một cặp giá trị (bs0; α) sao cho đạt được kết cấu của 
động cơ mà ở đó mô-men đập mạch đạt giá trị rất nhỏ. Vùng cực tiểu của giá trị này cho thấy 
mô-men đập mạch tỷ lệ thuận với độ mở của miệng rãnh và kèm theo là nam châm phủ phần lớn 
chiều dài bước cực. Điều này là phù hợp vì khi miệng rãnh lớn, chênh lệch không gian giữa phần 
dẫn từ và không dẫn từ ở mũ răng trở nên đáng kể. Bên cạnh đó, nam châm càng dài so với bước 
cực, khả năng về việc đường sức từ trường sẽ tìm cách thỏa mãn tính chất đường đi ngắn nhất sẽ 
phát huy tác dụng trong việc tạo ra biến thiên mãnh liệt trong vùng không gian gần kề khe ngăn 
cách nam châm. Điều này làm gia tăng biến thiên từ thông đập mạch trong khe hở không khí. Từ 
đó dẫn đến việc gia tăng mô-men đập mạch. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo này đã phân tích nguyên nhân hình thành mô-men đập mạch. Có thể nhận thấy ảnh 
hưởng của thông số miệng rãnh và độ phủ nam châm là những thành phần công nghệ ảnh hưởng 
lớn nhất tới mô-men đập mạch. Phân tích ảnh hưởng của thông số này đến các đặc tính của động 
cơ theo các quan hệ sau: 
• Sự thay đổi của thông số miệng rãnh và độ phủ nam châm làm ảnh hưởng lớn tới giá trị của 
mô-men đập mạch. Với một thiết kế, sự thay đổi thông số này có thể khiến mô-men đập mạch 
thay đổi hàng chục lần. 
• Ảnh hưởng của độ phủ nam châm cao hơn so với của độ mở miệng rãnh. 
• Thông số độ mở miệng rãnh và độ phủ nam châm ảnh hưởng trực tiếp tới các thông số hoạt 
động của động cơ, như mô-men, tốc độ, 
Việc phối hợp lựa chọn thiết kế đảm bảo yêu cầu độ đập mạch của mô-men nằm trong vùng 
mong muốn là một công việc rất khó. Tuy nhiên, thông qua bài báo này, tác giả đã chỉ ra những 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 76 N. V. Anh, , N. M. Dũng, “Phân tích tác động của độ mở  ứng dụng trong quân sự.” 
thông số ảnh hưởng lớn nhất đến mô-men đập mạch nhằm đưa ra những gợi ý liên quan đến tối 
ưu hóa thông số này. Nghiên cứu tối ưu mô-men đập mạch giúp cho việc ứng dụng của loại động 
cơ BLDC trong thực tế trở nên dễ dàng hơn. Giảm mô-men đập mạch cho phép sự kỳ vọng việc 
áp dụng động cơ vào trong những ứng dụng khí tài quân sự cần độ yên tĩnh lớn như động cơ 
chân vịt của ngư lôi hoặc quạt gió buồng chỉ huy đài điều khiển phòng không. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Duane Hanselman. “Brushless Permanent Magnet Motor Design” 2nd Edition. 2006, Magna Physics 
Publishing, ISBN: 1-881855-15-5. 
[2]. Jacek F. Gieras. “Permanent Magnet Motor Techlonogy 3nd Edition”. 2010, Taylor and Francis 
Group, ISBN: 978-1-4200-6440-7. 
[3]. Đại học Bách khoa Hà Nội, “Giáo trình Thiết kế khí cụ điện hạ áp”. 1986. 
[4]. Hung Vu Xuan, “Modeling of exterior rotor permanent magnet machines with concentrated 
windings”, TU Delft Publisher, 2012. 250 pages. ISBN 9789088914690. 
[5]. T. Liu, S. Huang, J. Gao, and K. Lu, „„Cogging torque reduction by slot-opening shift for permanent 
magnet machines,‟‟ IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 7, pp. 4028–4031, Jul. 2013. 
[6]. C. Xia, Z. Chen, T. Shi, and H. Wang, „„Cogging torque modeling and analyzing for surface-mounted 
permanent magnet machines with auxiliary slots,‟‟ IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 9, pp. 5112–5123, 
Sep. 2013. 
[7]. W. Ren, Q. Xu, Q. Li, and L. Zhou, „„Reduction of cogging torque and torque ripple in interior PM 
machines with asymmetrical V-type rotor design,‟‟ IEEE Trans. Magn., vol. 52, no. 7, Jul. 2016, Art. 
no. 8104105 
[8]. X. Ge, Z. Q. Zhu, G. Kemp, D. Moule, and C. Williams, „„Optimal step-skew methods for cogging 
torque reduction accounting for threedimensional effect of interior permanent magnet machines,‟‟ 
IEEE Trans. Energy Convers., vol. 32, no. 1, pp. 222–232, Mar. 2017 
ABSTRACT 
ANALYSIS OF THE EFFECT OF SLOT-OPENNING WIDTH AND MAGNET LENGTH 
ON THE COGGING TORQUE IN THE EXTERNAL ROTOR BLDC MOTOR 
USING IN MILITARY APPLICATION. 
BLDC-Brushless Direct Current motors are more and more widely used thanks to the 
advantages of relatively simple structure, high efficiency, and good speed regulation. 
However, one of its disadvantages is that the cogging torque is high. Reducing the 
cogging torque is one of the aims of the BLDC motor design. In particular, in military 
applications, the cogging torque causes unwanted vibrations and noises. In this paper, the 
author analyzes factors which influence the cogging torque. Simulation results show the 
effect of teeth/groove and the size of the magnet on the cogging torque value. Thereby, the 
author gives a plan on the design of the stator groove opening and the magnet coverage to 
minimize the effect of this parameter on the quality of torque and the working 
characteristics of the motors. 
Keywords: Cogging torque; BLDC; Carter coefficient; Slot dimensions; Leakage flux model of stator teeth; Military 
application. 
Nhận bài ngày 17 tháng 11 năm 2020 
Hoàn thiện ngày 10 tháng 12 năm 2020 
Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2020 
Địa chỉ: 1Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; 
2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 
 *
Email: tuan.phunganh1@hust.edu.vn.