Sử dụng thép vô định hình cải thiện ảnh hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở

ó thể thấy, lực xuyên 
tâm gây ra rung động cực đại tại thời điểm chuyển mạch, 
sau đó giảm dần tới 0 khi mô-men đạt giá trị đỉnh. 
Hình 7. Dòng điện pha và rung động 
Quá trình cộng hưởng giữa tần số tự nhiên và tần số của 
lực xuyên tâm với sóng hài bậc cao (1, 3, 5, 7, 9, ), dẫn 
đến động cơ từ trở phải hoạt động trong vùng tần số cao, 
có thể lên đến vài nghìn Hz. Khi đó, độ rung rất lớn có thể 
gây biến dạng gông stator, làm giảm tuổi thọ máy [1], [8], 
[9], [10]. Hình 8 thể hiện rung động của gông stator tại các 
tần số hoạt động lớn [8]. Mô-men quay trong SRM gây ra 
tức thời trên các cặp răng stator đối diện, có xu hướng uốn 
cong răng và biến dạng stator. Các chế độ rung được đặc 
trưng bởi cách uốn của răng stator. 
Hình 8. Các chế độ rung của SRM 8/6 ở tần số cao 
4. Thảo luận 
Lực xuyên tâm ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc 
và hạn chế sự ứng dụng của động cơ từ trở trong nhiều lĩnh 
vực. Tuy nhiên, lực xuyên tâm là lực không thay đổi được, 
luôn tồn tại, sinh ra do cấu trúc vốn có của động cơ. Vì vậy, 
lực này không thể can thiệp trực tiếp bằng các phương pháp 
điều khiển hay thay đổi cấu tạo động cơ, mà chỉ có thể tìm 
cách hạn chế sự ảnh hưởng của nó đối với động cơ từ trở. 
Nhằm hạn chế ảnh hưởng của lực xuyên tâm gây ra rung 
ồn, các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào kiểm soát 
tần số hoạt động của động cơ từ trở. 
4.1. Đề xuất cải thiện hình dạng khung 
Hình 9. Chế độ rung hình oval tương ứng với 
 tần số tự nhiên mỗi loại 
Tần số tự nhiên của máy phụ thuộc vào hình dạng, kích 
thước gông stator. Công trình [11] đề xuất thay đổi hình 
dạng gông stator trong động cơ SRM 6/4, bao gồm: gông 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018 47 
stator hình tròn cả trong và ngoài (dạng truyền thống); gông 
stator bên trong tròn, bên ngoài dạng lục giác; gông stator 
cả trong và ngoài dạng lục giác, cực stator đặt ở giữa mỗi 
cạnh lục giác; gông stator cả trong và ngoài dạng lục giác, 
cực stator đặt ở góc mỗi cạnh lục giác. Chế độ thử nghiệm 
rung hình oval được tiến hành tương ứng tần số tự nhiên 
của mỗi loại, như thể hiện trong Hình 9. 
Kết quả cho thấy SRM loại 3 (gông stator hình lục giác, 
cực đặt ở giữa cạnh lục giác) cho độ rung ít hơn dưới tác 
dụng của lực xuyên tâm. Đồng thời, khoảng cách bị dịch 
chuyển nhỏ (0,85 μm so với 1,68 μm của loại truyền thống); 
mô-men quay tăng (1,7 Nm so với 1,26 Nm của loại 1). 
Một đề xuất sử dụng vỏ stator không gân và có gân 
được công bố trong công trình [12]. Hình dạng bên ngoài 
gông stator có gân với kích thước gân khác nhau được bố 
trí khác nhau (Hình 10). 
Hình 10. Các hình dạng khung khác nhau 
Việc tăng độ dày khung, sử dụng khung gân xuyên tâm 
và vỏ stator không gân có thể tăng độ cứng của khung. Các 
gân xuyên tâm có tác dụng tản nhiệt, giúp tăng hiệu suất 
của động cơ, đồng thời, truyền rung động ra ngoài. Từ đó, 
tiếng ồn và rung động trong động cơ được giảm. Kết quả 
các mẫu thử nghiệm được tác giả Jian Li công bố đầy đủ, 
tuy nhiên chưa giải quyết được triệt để nguồn gốc rung và 
tiếng ồn do tần số cộng hưởng như đề cập ở trên. 
4.2. Đề xuất sử dụng vật liệu vô định hình 
Rõ ràng rằng, tần số tự nhiên của động cơ cộng hưởng 
với tần số xuyên tâm của lực xuyên tâm gây ra rung ồn. Và 
tần số tự nhiên của động cơ phụ thuộc vào hình dạng 
khung, kích thước khung. Tuy nhiên, hình dạng khung thay 
đổi làm tần số tự nhiên thay đổi theo quy luật khó có thể 
dự đoán trước được, dẫn đến khó khăn trong vấn đề khắc 
phục nhược điểm của SRM. Nhóm tác giả đề xuất giải pháp 
giải quyết triệt để vấn đề này, đó là sử dụng vật liệu mới – 
vật liệu vô định hình. 
Sắt vô định hình là loại vật liệu từ mềm, còn được gọi 
là thủy tinh kim loại. Nguyên liệu chính bao gồm: niken, 
coban, silic, . Ở trạng thái vô định hình, nó có điện trở 
suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể. Đồng thời, 
vật liệu này có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, 
có thể sử dụng ở tần số làm việc cao hơn với các vật liệu 
tinh thể nền kim loại. Vật liệu vô định hình không có cấu 
trúc tinh thể nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có 
tính từ mềm rất tốt. Vật liệu vô định hình nền Co còn có từ 
giảo bằng 0 nên có lực kháng từ rất nhỏ. Đường cong từ trễ 
của vật liệu rất hẹp, hẹp hơn so với thép silic - vật liệu từ 
mềm. Độ dày tự nhiên của lá thép vô định hình rất nhỏ, 
điện trở suất lớn và mật độ khối lượng vật liệu lớn. Một số 
tính chất lý hóa cơ bản của vật liệu vô định hình (Metglas 
2605SA1) được cho trong Bảng 1, so sánh với vật liệu Silic 
(M600 – 50A). 
Bảng 1. Đặc tính của sắt vô định hình và thép Silic 
Vật liệu Sắt vô định hình Thép silic 
Mật độ từ thông (T) 1,56 1,8 - 2 
Điện trở suất ( cm ) 130 - 170 50 - 60 
Độ dày lá thép (mm) 0,03 0,3 - 0,5 
Sức căng (kg/mm2) 150 50 
Độ cứng Vickers 900 200 - 300 
Mật độ khối lượng (g/cm3) 7,18 7,65 
Mô-đun đàn hồi (GPa) 110 207 
Đặc tính vật liệu có ảnh hưởng quan trọng tới tần số tự 
nhiên của máy [1], [6]. Es là mô-đun đàn hồi của vật liệu 
(theo ứng suất kéo), thép vô định hình có độ cứng cao (cao 
hơn 3 lần so với silic), khả năng bị biến dạng khi chịu ứng 
suất kéo là nhỏ. Theo phương trình (12), Es càng nhỏ (tức 
độ đàn hồi sau khi biến dạng càng nhỏ) thì tần số tự nhiên 
càng nhỏ. Khi động cơ làm việc ở tốc độ càng cao, kết hợp 
với sự không mong muốn của sóng hài bậc cao, tần số cơ 
bản sẽ càng lớn. Để tránh hiện tượng cộng hưởng gây ra 
rung ồn, tần số tự nhiên càng nhỏ càng tốt. Theo Bảng 1, 
thép vô định hình có Es (110 GPa) nhỏ hơn 2 lần so với 
thép silic thông thường (2,07.1011 N/m2 = 207 Gpa), do đó, 
tần số tự nhiên của máy chế tạo bởi 2605SA1 sẽ thấp hơn. 
Hình 11. Mô hình thực nghiệm đo rung động 
Rung động trong SRM được đo bằng gia tốc kế, gắn ở 
phía trên giữa khung stator như Hình 11. Rung động có thể 
được sử dụng như là một sự chọn lựa thay thế của tiếng ồn 
âm thanh. Mô hình thực nghiệm được nhóm tác giả đề xuất 
và sẽ triển khai trong thời gian tới (Hình 11). Kết quả phân 
tích, dự báo đối với sự rung động trong SRM sử dụng thép 
vô định hình và thép Silic được thể hiện trong Hình 12. 
Phân tích cho thấy, động cơ từ trở sử dụng vật liệu vô 
định hình có tần số tự nhiên với biên độ nhỏ so với động 
cơ chế tạo bằng thép silic. Điều này góp phần làm giảm 
cường độ rung khi động cơ làm việc, cũng như góp phần 
giảm rung ồn do hạn chế khả năng cộng hưởng xảy ra. Vật 
liệu vô định hình không những góp phần giảm tần số riêng 
của động cơ, hạn chế rung ồn, mà còn giúp giảm tổn hao 
48 Phí Hoàng Nhã, Phạm Hùng Phi, Đào Quang Thủy 
trong động cơ từ trở. Kết quả của nhóm tác giả công bố là 
kết quả phân tích, đánh giá bước đầu, để có kết quả đánh 
giá chuẩn mực thông qua việc mô phỏng quá trình chuyển 
hóa vật lý của các thông số động cơ, sẽ được công bố trong 
những nghiên cứu tiếp theo. 
Hình 12. Rung động trên khung stator; 
(a), (b): khung stator làm bằng thép silic; 
(c), (d): khung stator làm bằng thép vô định hình 
5. Kết luận 
Bài báo này trình bày những phân tích, đánh giá về ảnh 
hưởng của lực xuyên tâm trong động cơ từ trở. Lực xuyên 
tâm là một trong những nguyên nhân gây ra rung động và 
tiếng ồn, làm giảm hiệu suất và hạn chế ứng dụng của động 
cơ từ trở. Rung động trở nên vô cùng lớn khi tần số của lực 
xuyên tâm cộng hưởng với tần số tự nhiên của động cơ. 
Giải pháp sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo động cơ 
mang lại hiệu quả khi giảm tần số tự nhiên, hạn chế quá 
trình cộng hưởng khi động cơ làm việc ở tốc độ lớn, tần số 
cao. Có thể kết luận rằng, không thể hạn chế rung ồn bằng 
việc kiểm soát trực tiếp lực xuyên tâm, mà chỉ có thể hạn 
chế rung ồn một cách gián tiếp. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Pragasen Pillay, William Cai, “An Investigation into Vibration in 
Switched Reluctance Motor”, IEEE, Vol. 35, No. 3, 1999, pp. 589-
596. 
[2] Masayuki Sanada, Shigeo Morimoto, Yoji Takeda, “Novel Rotor 
Pole Design of Switched Reluctance Motors to Reduce the Acoustic 
Noise”, IEEE, 2000, pp. 107-113. 
[3] Huijun Wang, Dong Hee Lee, Tae Hub Park, Jin Woo Ahn, “Hybrid 
stator-pole switched reluctance motor to improve radial force for 
bearingless application”, Energy Coversion and Management, Vol. 
52, 2011, pp. 1371-1376. 
[4] Neil R. Garrigan, Wen L. Soong, Charles M. Stephens, Albert 
Storace, Thomas A. Lipo, “Radial Force Characteristics of a 
Switched Reluctance Machine”, IEEE, 1999, pp. 2250-2258. 
[5] Feng Chieh Lin, Sheng Ming Yang, “Instantaneous Shaft Radial 
Force Control with Sinusoidal Excitations for Switched Reluctance 
Motors”, IEEE, Vol. 22, No. 3, 2007, pp. 629-636. 
[6] M. N. Anwar, Iqbal Husain, “Radial Force Calaculation and 
Acoustic Noise Prediction in Switched Reluctance Machines”, 
IEEE, Vol. 36, No. 6, 2000, pp. 1589-1597. 
[7] Charles Pollock, Chi Yao Wu, “Acoustic Noise Cancellation 
Techniques for Switched Reluctance Drives”, IEEE, Vol. 33, No. 2, 
1997, pp. 477-484. 
[8] Roy S. Colby, Francois M. Mottier, J. E. Miller, “Vibration Modes 
and Acoustic Noise in a Four-Phase Switched Reluctance Motor”, 
IEEE, Vol. 32, No. 6, 1996, pp. 1357-1364. 
[9] Wei Cai, Pragasen Pillay, Zhangjun Tang, “Impact of Stator 
Windings and End-Bells on Resonant Frequencies and Mode Shapes 
of Switched Reluctance Motors”, IEEE, Vol. 38, No. 4, 2002, pp. 
1027-1036. 
[10] W. A. Pengov, R. L. Weinberg, “Designing for low noise”, 
Electronic control of Switched Reluctance Machines, 1998, pp. 62-
73. 
[11] Jung-Pyo Hong, Kyung Ho Ha, Ju Lee, “Stator Pole and Yoke 
Design for Vibration Reduction of Switched Reluctance Motos”, 
IEEE, Vol. 38, No. 2, 2002, pp. 929-932. 
[12] Jian Li, Yunhyun Cho, “Investigation into Reduction of Vibration 
and Acoustic Noise in Switched Reluctance Motors in Radial Force 
Excitation and Frame Transfer Function Aspects”, IEEE, Vol. 45, 
No. 10, 2009, pp. 4664-4667. 
(BBT nhận bài: 05/03/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/03/2018)