Cải thiện mật độ năng lượng từ trường trong động cơ từ trở

 đổi đ
ờng từ thông qua cuộn dây [10]
ặc tính từ thông 
ão hòa cho tr
ơn nhi
ộ b
λ(i, θ) v
ên cu
điện I, cuộn dây sẽ có thông l
 65
ài khe h
ão hòa m
ình thi
ược xác định ở đầu cực stator, kể từ khi chuyển đổi 
ư
ỘNG C
ộn dây điện nh
, 02
ơ đ
ớc h
khung và lõi là x
 - 20
đó, 
ượng chế độ ngắt mạch
ượng
ọc trong mỗi chu kỳ l
ồ từ thông v
ở không khí đủ nhỏ để máy b
ều d
ết kế v
ình h
à do đó, năng lư
trình thi
20
Δ
đi
ư
òng 
ạch của
. N
Ơ T
ư
W 
- 
chế độ lý t
ện thế biến đổi xấp
ờng hợp d
đi
ếu không, tổn thất sắt sẽ tăng quá cao 
ọc cũng nh
À NĂNG LƯ
Ừ TRỞ
ợc tính toán dựa tr
ư
trong (2) tăng.
dòng 
ện đỉn
à phân tích đ
ết kế.
ư h
ợng 
đi
à dòng 
 SRM c
ình 3 [10]. Cu
ΔW
ện
ưởng
òng 
h. Đi
ợng chuyển đổi 
ượng v
1
. 
đi
ải thiện hiệu suất của nó, 
ư c
ư
 và x
c tăng so v
;
. 
àm vi
ện. Đối với đ
điện đỉnh. Điều n
ều đó tối đa hóa mật độ 
-Ampe. Nói cách khác, 
ộng c
ấu tạo của động c
ỢNG TỪ TR
ợng 
à l
2
. 
 xỉ bằng hai lần năng 
ên nguyên lý c

ực từ động (F) đ
, trong đó
ệc tỷ lệ với diện 
ư
ơ. Tr
ộn 
. B
ới năng l
ão hòa t
ờng hợp không 
dây đi
ằng cách tăng 
ư
ạng thái b
- cơ s
, x
ờng cong 
ày cho 
ại vị trí 
ƯỜNG 
ện có N 
1>x
111
ượng 
ơ ảnh 
ở cho 
ơ b
ư
2 như 
ão 
ản 
ợc 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
P. H. Nhã, Đ. Q. Thủy, P. H. Phi, “Cải thiện mật độ năng lượng  trong động cơ từ trở.” 112 
Hình 4. Mối quan hệ giữa từ thông và lực từ động [10]. 
Thông lượng và lực điện từ cho x=x1 là tuyến tính vì từ trở của khe hở không khí lớn 
hơn, do đó thông lượng nhỏ hơn so với trong mạch từ. Năng lượng điện cung cấp được viết: 
 . . . .elec
dN
W ei dt i dt Ni d Fd
dt

   (4) 
trong đó, e là sức điện động và F là lực điện từ. 
Năng lượng điện cung cấp Welec chính bằng tổng năng lượng chứa trong cuộn dây 
Wstorage và năng lượng chuyển thành công cơ năng Wmech: 
0 0
W . . .
i
storage i d i di

   (5) 
 Welec = Wstorage + Wmech (6) 
Xét khi lõi thép đang ở vị trí x1, nghĩa là chưa có công cơ học nào được thực hiện, giá 
trị năng lượng chứa trong cuộn dây Wstorage sẽ được tính ở công thức (4) tương ứng với 
diện tích hình OBEO ở trên hình 1.10. Đối năng lượng (co-energy) của Wstorage được gọi là 
Wc chính là diện tích hình OBAO và có giá trị tính bằng dF . Tương tự ở vị trí x2, 
Wstorage tương ứng với diện tích OCDO và đối năng lượng Wc tương ứng diện tích OCAO. 
Ta có thể viết lại công thức (6) như sau: 
 W W Welec storage mech   (7) 
Với lực từ kích thích liên tục F1( tại điểm A trên hình 4), ta có năng lượng biến thiên 
có nguồn gốc: 
2
1
1 1 2 1W ( )elec BCDEBF d F S


    (8) 
( 2) ( 1)W W Wstorage storage x storage x OCDO OBEOS S   (9) 
Từ (7), (8) và (9), công cơ khí được thực hiện là sự chênh lệch giữa năng lượng điện 
năng và năng lượng từ trường tích lũy: 
 W W Wmech elec storage OBCOS   (10) 
và đó là diện tích giữa hai đường cong cho bởi lực điện từ. Khi rotor quay, năng lượng cơ 
năng được tính bằng mô men điện từ và độ dịch chuyển vị trí rotor: 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 113
 W .mech eT  (11) 
ở đó, Te là mô men điện từ và δθ là góc quay gia tăng của rotor. Do đó, mô men điện từ 
được đưa ra bằng: 
Wmech
eT


 (12) 
Trong trường hợp lực từ là hằng số, mức tăng năng lượng cơ học chính bằng tỉ lệ độ 
thay đổi của đối năng lượng (co-energy) Wc, đó là không có sự bổ sung năng lượng từ 
trường. Do đó, cơ năng gia tăng: 
0
W .
i
c di (13) 
 W Wmech c  (14) 
Mặt khác, giá trị đối năng lượng Wc được tính: 
W ( ) = ( ) ( , ) ( , )c dF d Ni N di i di L i idi       (15) 
trong đó, L là điện cảm, λ là từ thông liên kết, là hàm giữa vị trí rotor và dòng điện. 
Độ thay đổi đối năng lượng Wc xảy ra giữa hai vị trí góc rotor là θ1 và θ2. Do đó, mô men 
của góc hở không khí được biểu diễn như là hàm của vị trí rotor và dòng điện, chính bằng: 
W W W ( , )mech c c
e
i
T
   
  
 (16) 
trong đó, i=const. 
4. MẬT ĐỘ NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG PHÂN BỐ 
TRONG ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ MỚI 
Mật độ phân bố năng lượng từ trường trong động cơ là kết quả sơ bộ đánh giá độ lớn 
của mô men điện từ. Từ đó quyết định hiệu suất làm việc của động cơ. Qua nghiên cứu 
cho thấy mối quan hệ ràng buộc giữa năng lượng từ trường và mô men điện từ. Theo (16), 
năng lượng từ trường trong SRM càng lớn dẫn tới khả năng sinh công cơ học lớn, và mô 
men điện từ tăng. Hơn nữa, mức năng lượng từ trường này do chính kết cấu hình học và 
vật liệu chế tạo động cơ quyết định. Trạng thái bão hòa từ (trên đường đặc tính B-H) của 
động cơ là điều mong muốn, bởi giá trị điện cảm tạo ra ở trạng thái này là lớn (hình 2b). 
Trong nghiên cứu trước [6] của mình, nhóm tác giả đã đề xuất giải pháp thay đổi cấu trúc 
động cơ và cho thấy kết quả khả quan trong cải thiện và nâng cao mật độ phân bố lực của 
SRM. Giải pháp này không chỉ cho thấy tính ưu việt đó, mà còn góp phần nâng cao năng 
lượng từ trường trong động cơ. Với giải pháp thay đổi cấu trúc rotor, giá trị điện cảm ở 
trạng thái bão hòa được nâng cao, từ đó cải thiện giá trị mật độ năng lượng từ trường, góp 
phần nâng cao hiệu suất của động cơ từ trở. 
4.1. Cấu trúc động cơ từ trở mới 
Động cơ từ trở mới được đề xuất có cấu trúc như hình 5a. Stator của động cơ có cấu tạo 
như SRM truyền thống [10]. Cấu trúc rotor được thay đổi: vật liệu chế tạo rotor vẫn là 
thép Silic thông thường nhưng sử dụng thanh nhôm nguyên khối phân chia rotor thành hai 
phần. Với cấu trúc này, mạch vòng từ thông trong động cơ được thay đổi. Đường đi của từ 
trường thay đổi, tập trung ở vùng cực stator và rotor nhiều hơn, được thể hiện đầy đủ như 
hình 5b. 
Thông số cấu trúc động cơ từ trở được cho trong bảng 1. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
P. H. Nhã, Đ. Q. Thủy, P. H. Phi, “Cải thiện mật độ năng lượng  trong động cơ từ trở.” 114 
Bảng 1. Thông số kích thước động cơ từ trở. 
Ns/Nr 
(Số cực 
stator/rotor) 
6/4 
βs/βr 
(Góc cực 
stator/rotor) 
20/24 độ 
g 
(Chiều dài 
khe khí) 
0,3 mm 
D0 
(Đường kính 
ngoài stator) 
190 mm 
D 
(Đường kính 
trong Stator) 
89,7 mm 
l 
(Chiều dài 
động cơ) 
114 mm 
Dsh 
(Đường kính 
trục) 
28 mm 
ys, yr 
(Độ dày 
gông stator, 
rotor) 
12,5 mm 
Dr 
(Đường kính 
ngoài rotor) 
100 mm 
hs 
(Chiều cao 
cực stator) 
77,2 mm 
hr 
(Chiều cao 
cực rotor) 
59,5 mm Vật liệu Silic 
(a) (b) 
Hình 5. Cấu trúc động cơ từ trở mới. 
a. Cấu trúc động cơ; 
b. Phân bố đường sức từ trong động cơ. 
4.2. Kết quả và thảo luận 
Động cơ từ trở được mô phỏng để đánh giá mật độ năng lượng từ trường phân bố trong 
động cơ là loại 6/4 cực 3 pha. Theo nghiên cứu [6], lực từ F tỉ lệ thuận với số vòng dây và 
dòng điện: 
F = N.i = H.l = R.Ф (17) 
Trong SRM, lực từ F sinh ra là không đổi nếu giữ nguyên dòng điện và số vòng dây 
quấn trên cực stator (17). Khi đó, nếu chiều dài mạch từ l ngắn thì cường độ từ trường H 
sinh ra sẽ lớn (vật liệu nhanh đạt trạng thái bão hòa) hoặc từ trở R nhỏ thì từ thông Ф sẽ 
lớn. Trong cấu trúc động cơ từ trở mới, đường đi của từ thông khép mạch trong mạch từ l 
ngắn hơn, như hình 6a. Trong hình 6a, mạch từ được khép giữa các cực stator gần nhau, 
dẫn đến chiều dài đường sức từ cũng ngắn hơn so với đường sức từ sinh ra ở hình 6b, làm 
giá trị cường độ từ trường H ở SRM mới được nâng cao. 
Chính sự bố trí 2 thanh nhôm (vật liệu không dẫn từ) ở gông rotor đã điều hướng 
đường đi của từ trường. Kết quả mô phỏng cho thấy, xét ở trường hợp 2 cực stator và rotor 
gối chồng nhau, giá trị mật độ cảm ứng từ B lớn nhất ở SRM cấu trúc mới đạt 2,292 Tesla, 
cao hơn so với SRM cấu trúc cơ bản 2,159 Tesla. Ở trường hợp các cực stator và rotor 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 115
trong động cơ từ trở thẳng hàng cũng như trường hợp không thẳng hàng, khả năng điều 
hướng của từ trường nhằm giảm chiều dài mạch từ trong cấu trúc SRM mới này cũng thể 
hiện tính ưu việt trong nâng cao giá trị từ thông và từ trường trong động cơ từ trở. 
(a) (b) 
Hình 6. Đường sức từ trong SRM khi cực stator và rotor gối chồng nhau. 
a. Động cơ từ trở cấu trúc mới; 
b. Động cơ từ trở cấu trúc truyền thống. 
Kết quả mô phỏng mật độ năng lượng từ phân bố trong stator, rotor giữa SRM truyền 
thống với SRM mới - cấu trúc rotor thay đổi, thể hiện trong hình 7, 8 và hình 9. Năng 
lượng từ trường được hình thành kể từ khi dòng điện được kích trong cuộn dây. Chính tại 
vị trí các cực stator và rotor thẳng hàng, giá trị điện cảm là lớn nhất, sau đó nhanh chóng 
sụt giảm khi rotor dịch chuyển và dòng điện bị dừng kích thích. Khi các cực stator, rotor 
không thẳng hàng, điện cảm sinh ra là nhỏ nhất, mật độ năng lượng từ trường tăng nhanh 
khi dòng điện kích thích tăng dần. Tại vị trí cực stator, rotor gối chồng nhau, giá trị dòng 
điện là lớn nhất nên mật độ từ trường ở vị trí này là cao nhất. Với cấu trúc động cơ từ trở 
mới, mật độ năng lượng từ trường ở cả 3 trường hợp vị trí cặp cực stator, rotor thẳng hàng, 
không thẳng hàng, gối chồng đều được nâng cao đáng kể so với động cơ từ trở cấu trúc cơ 
bản. Giá trị mật độ năng lượng từ trường sẽ quyết định đến giá trị mô men điện từ trong 
động cơ theo (16). 
Trường hợp SRM có cực stator và rotor ở vị trí gối chồng, vị trí thẳng hàng hoàn toàn 
và vị trí không thẳng hàng, mật độ phân bố năng lượng của SRM mới và SRM truyền 
thống cho trong bảng 2. 
(a) (b) 
Hình 7. Mật độ năng lượng trong SRM khi cực stator và rotor gối chồng nhau. 
a. Động cơ từ trở cấu trúc mới; 
b. Động cơ từ trở cấu trúc truyền thống. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
P. H. Nhã, Đ. Q. Thủy, P. H. Phi, “Cải thiện mật độ năng lượng  trong động cơ từ trở.” 116 
(a) (b) 
Hình 8. Mật độ năng lượng trong SRM khi cực stator và rotor thẳng hàng. 
a. Động cơ từ trở cấu trúc mới; 
b. Động cơ từ trở cấu trúc truyền thống. 
(a) 
(b) 
Hình 9. Mật độ năng lượng trong SRM khi cực stator và rotor không thẳng hàng. 
a. Động cơ từ trở cấu trúc mới; 
b. Động cơ từ trở cấu trúc truyền thống. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 117
Bảng 2. Giá trị mật độ năng lượng lớn nhất trong động cơ từ trở tại các vị trí cực từ. 
Cực rotor, stator thẳng hàng 
Cực rotor, stator không 
thẳng hàng 
Cực stator, rotor gối chồng 
SRM truyền 
thống 
SRM mới 
SRM truyền 
thống 
SRM mới 
SRM truyền 
thống 
SRM mới 
2,0548x106 
J/m3 
2,2014x106 
J/m3 
2,2547x106 
J/m3 
2,2734x106 
J/m3 
2,3400x106 
J/m3 
2,9831x106 
J/m3 
Kết quả mô phỏng cho thấy, SRM cấu trúc mới cho giá trị mật độ năng lượng từ trường 
cao hơn hơn so với SRM truyền thống. Với mật độ năng lượng từ phân bố trong động cơ 
lớn, SRM mới được dự báo sẽ đạt hiệu suất cao hơn. Kết quả của nhóm tác giả công bố là 
kết quả phân tích, đánh giá bước đầu, để có kết quả đánh giá đầy đủ về năng lượng từ 
trường sinh ra và mô men trong SRM mới cần xây dựng được mô hình toán mới cho động 
cơ và sẽ được công bố trong những nghiên cứu tiếp theo. 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo trình bày những phân tích, đánh giá về mối quan hệ giữa năng lượng từ trường 
và mô men điện từ. Năng lượng từ trường sinh ra trong động cơ và mô men điện từ tỉ lệ 
thuận với nhau, qua đó quyết định đến hiệu suất của động cơ từ trở. Mật độ năng lượng 
tích trữ trong SRM cấu trúc mới được so sánh với SRM cấu trúc truyền thống. Kết quả 
bước đầu khẳng định ưu điểm vượt trội của SRM mới trong nâng cao mật độ năng lượng 
từ trường so với SRM cũ. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. S. Mir, M. E. Elbuluk and I. Husain, “Torque-rippleMinimization in Switched 
Reluctance Motors Using Adaptive Fuzzy Control”, IEEE Transactions on Industry 
Applications, vol. 35, no. 2 (1999), pp. 461-468. 
[2]. D. S. Reay, T. C. Green and B. W. Williams, “Application of Associative Memory 
Neural Networks to the Control of a Switched Reluctance Motor”, IECON, vol. 1 
(1993), pp. 200-206. 
[3]. Wadah Abass Aljaism, “Switched reluctance motor: Design, simulation and 
control”, Dortor of philosophy in electrical engineer, University of Western Sydney 
(2007). 
[4]. Lingquan Zeng,Haiwei Yu, “Research on a novel Rotor Structure Switched 
Reluctance Motor”, International Conference on Applied Physics and Industrial 
Engineering, Physics Procedia, vol. 24 (2012), pp. 320 – 327. 
[5]. Phí Hoàng Nhã, Đào Quang Thủy, Phạm Hùng Phi, “Cải thiện mật độ phân bố lực 
trong động cơ từ trở”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, vol.17, no. 
1.1 (2019), pp. 63-67. 
[6]. Phí Hoàng Nhã, Phạm Hùng Phi, Đào Quang Thủy, “Mô hình mạch từ trở tương 
đương trong động cơ từ trở mới”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân 
sự, số 54 (2018), tr 67 - 74. 
[7]. Torsten Wichert, “Design and Construction Modifications of Switched Reluctance 
Machines”, Dortor of philosophy in electrical engineer, Warsaw university of 
technology (2008). 
[8]. Lawrenson, P.J, “Variable-speed Switched Reluctance Motors”, IEEE Proceedings, 
vol. 127, no. 4 (1980), pp. 253-265. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
P. H. Nhã, Đ. Q. Thủy, P. H. Phi, “Cải thiện mật độ năng lượng  trong động cơ từ trở.” 118 
[9]. Stephenson, J.M, Khazendar, M.A, “Saturation in doubly salient reluctance 
motors”, IEEE Transactions on electric Power Applications, vol. 136, no. 1 (1989). 
[10]. R. Krishnan, “Switched Reluctance Motor Drives – modeling, Simulation, Analysis, 
Design, and Application”, Industrial Electronics Series (2001). 
ABSTRACT 
IMPROVED MAGNETIC FIELD ENERGY DENSITY 
IN SWITCHED RELUCTANCE MOTOR 
 Switched reluctance motor has the advantages, gradually become the choice 
for high speed drive systems. In switched reluctance motor, the electromagnetic 
torque and magnetic field energy have a mutual relationship, directly affects the 
performance of the motor. The electromagnetic torque in the switched reluctance 
motor is defined as the variation of the magnetic co-energy when the rotor rotates. 
The article presents the electromechanical energy conversion process and the 
relationship between electromagnetic torque and magnetic field energy in the 
switched reluctance motor. At the same time, the authors analyze and evaluate the 
solution to change the rotor structure in the previous research of the group also 
improve the magnetic field energy density distributed in the motor. Initial results 
show that the magnetic energy distribution density in the new switched reluctance 
motor increases, contributing to increase the electromagnetic torque. 
Keywords: Magnetic field energy density; Electromagnetic torque; Switched reluctance motor; SRM; New 
switched reluctance motor. 
Nhận bài ngày 14 tháng 9 năm 2019 
Hoàn thiện ngày 16 tháng 12 năm 2019 
Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 02 năm 2020 
Địa chỉ: 1Đại học Bách khoa Hà Nội; 
 2Đại học Công nghiệp Hà Nội; 
 3Bộ Khoa học và Công nghệ. 
 *Email: phihoangnha@gmail.com; phihoangnha@haui.edu.vn.