Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Quang Địch PGS.TS Nguyễn Huy Phương Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể hướng dẫn khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 22 tháng 02 năm 2022 Tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Quang Địch Nguyễn Huy Phương Vũ Đình Đạt Nghiên cứu sinh PGS.TS LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian dài, khó khăn nhiều thử thách tác giả hồn thành luận án Trong suốt q trình đó, tác giả ln nhận giúp đỡ hỗ trợ đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, nhà khoa học, gia đình đồng nghiệp Qua tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quang Địch, PGS.TS Nguyễn Huy Phương, người định hướng, tận tình hướng dẫn chun mơn bổ sung kịp thời kiến thức liên quan Xin chân thành cảm ơn giảng viên, nhà khoa học thuộc viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, mơn Tự động hóa cơng nghiệp (viện Điện) trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, có đóng góp chun mơn q báu cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả hồn thành số quy trình thực nghiệm luận án Tác giả xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu đồng nghiệp trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đồng ý chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai tồn thể gia đình, bạn bè hết lòng ủng hộ, chia sẻ tinh thần vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu Tác giả luận án MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU DANH MỤC BẢNG BIỂU .11 DANH MỤC HÌNH VẼ 11 MỞ ĐẦU 14 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .14 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .15 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 15 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 15 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 16 BỐ CỤC VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN .16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI 18 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ Ổ TỪ 18 1.1.1 Ổ từ bị động (PMB) .19 1.1.2 Ổ từ chủ động (AMB) 20 1.1.3 Ổ từ kiểu lai (HMB) .20 1.2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Ổ TỪ KIỂU LAI .21 1.2.1 Nghiên cứu cấu trúc ổ từ kiểu lai .21 1.2.2 Nguyên cứu phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai 25 1.3 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 27 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỚI Ổ TỪ KIỂU LAI 28 2.1 Ổ TỪ KIỂU LAI KHÔNG CÓ KHE HỞ PHỤ .28 2.1.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khơng có khe hở phụ .28 2.1.2 Phân tích mơ hình phương pháp mơ phần tử hữu hạn 30 2.1.3 Phân tích so sánh kết .34 2.2 Ổ TỪ KIỂU LAI KHE HỞ PHỤ .36 2.2.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe hở phụ 36 2.2.2 Phương pháp tính tốn mạch từ tương đương 37 2.2.3 Phương pháp mô phần tử hữu hạn 39 2.2.4 Phân tích đánh giá kết 40 2.3 Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH 42 2.3.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách 43 2.3.2 Phương pháp tính tốn mạch từ tương đương 45 2.3.3 Phương pháp mô phần tử hữu hạn 51 2.3.4 So sánh ổ từ kiểu lai khe phân cách ổ từ kiểu lai khe hở phụ 55 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 58 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH 59 3.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC 59 3.1.1 Mô tả hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 59 3.1.2 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách .60 3.2 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TẬP TRUNG PD .65 3.2.1 Thiết kế hệ điều khiển PD .65 3.2.2 Mô đánh giá hệ điều khiển PD .71 3.3 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN DỰA TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 75 3.3.1 Thiết kế hệ điều khiển trượt 75 3.3.2 Mô đánh giá hệ điều khiển trượt .81 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 87 CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 88 4.1 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM .88 4.2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH CỦA HỆ THỐNG Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH .89 4.2.1 Stator ổ từ kiểu lai khe phân cách 90 4.2.2 Rotor ổ từ kiểu lai khe phân cách 90 4.3 PHẦN CỨNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH .92 4.3.1 Mô tả phần cứng hệ điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách .92 4.3.2 Bộ biến đổi công suất .93 4.3.3 Cảm biến khoảng cách 95 4.3.4 Mô hình hồn thiện hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách 97 4.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 98 4.4.1 Rotor trạng thái tĩnh không quay 98 4.4.2 Rotor trạng thái quay 99 4.4.3 Khi rotor thay đổi tải trọng có tác động nhiễu lực bên ngồi 100 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC .114 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Danh mục từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh AMB Active Magnetic Bearing Ý nghĩa tiếng Việt Ổ từ chủ động COM Center Of Mass Tâm khối DOF Degrees Of Freedom Bậc tự EMCM Equivalent Magnetic Circuit Phương pháp mạch từ tương FEM Method Finite Element Method HMB đương Phương pháp phần tử hữu hạn Hybrid Magnetic Bearing Ổ từ kiểu lai MIMO Multiple-Input, Multiple- PMB Output Passive Magnetic Bearing Ổ từ bị động PWM Pulse Width Modulation 10 SISO Single-Input, Single-Output Một đầu vào đầu Nhiều đầu vào nhiều đầu Điều chế độ rộng xung Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu B Đơn vị T H A/m Fpm A Rst 1/H Từ trở gông thép stator trái phải Rag 1/H Từ trở khe hở không khí cực từ rotor Mật độ từ thơng Ý nghĩa Cường độ từ trường Sức từ động nam châm Rrt Rt1 Rt2 Rsa 10 1/H 1/H Từ trở rotor Từ trở mạch từ (trường hợp 1) 1/H Từ trở mạch từ (trường hợp 2) 1/H Từ trở khe hở phụ Wb Từ thông mạch từ (trường hợp 1) Wb Từ thông mạch từ (trường hợp 2) N Lực từ nam châm vĩnh cửu sinh N Lực từ cuộn dây điều khiển sinh N Tổng lực từ tác dụng lên rotor 11 12 F1 13 F2 14 F 15 16 u 17 NI 18 N 19 Ag 20 i x0 A i A 22 x m Khe hở khơng khí cực từ phía rotor 23 x m Khe hở khơng khí cực từ phía rotor 24 NIx 25 R 21 Độ từ thẩm chân không Hệ số từ thẩm tương đối nam châm A x 26 H/m R vòng m A 1/H 1/H Sức từ động cuộn dây điều khiển Số vòng dây cuộn dây điều khiển Khoảng cách khe hở phụ Dịng điện điều khiển vị trí rotor cân Lượng thay đổi dịng điện điều khiển rotor dịch chuyển khoảng x Sức từ động cuộn dây điều khiển cực từ phía rotor Từ trở khe hở khơng khí cực từ rotor (phần cực từ chứa nam châm vĩnh cửu) Từ trở khe hở khơng khí cực từ rotor (phần cực từ ngồi khơng nam châm vĩnh cửu) 27 R 28 R 29 R 1/H 1/H Từ trở nửa cực từ stator bên trái, bên phải (phần cực từ chứa nam châm vĩnh cửu) Từ trở nửa cực từ stator bên trái, bên phải (phần cực từ bên ngồi khơng chứa nam châm vĩnh cửu) Từ trở rotor Tiết diện phần khe hở cực từ rotor si so rt 1/H m 30 A 31 Ai m 32 A m2 o 33 ki 34 k 35 o R ci 36 R 37 R 38 39 xo xi 40 xo 41 F 42 N N Lực từ cực từ phía tác dụng lên rotor 1/H 1/H 1/H R F 1/H Wb Wb x Tiết diện cực từ phần ngồi khơng chứa nam châm Hệ số diện tích phần cực từ chứa nam châm so với tổng diện tích mặt cắt ngang cực từ Hệ số tiết diện phần cực từ ngồi khơng chứa nam châm với tổng diện tích mặt cắt ngang cực từ Từ trở xác định không đổi mạch từ chứa nam châm Từ trở xác định khơng đổi mạch từ ngồi khơng chứa nam châm Từ trở mạch từ phần chứa nam châm (cực từ phía rotor) Từ trở mạch từ phần ngồi khơng chứa nam châm (cực từ phía rotor) Từ thông mạch từ phần chứa nam châm (cực từ phía rotor) Từ thơng mạch từ phần ngồi khơng chứa nam châm (cực từ phía rotor) Lực từ cực từ phía tác dụng lên rotor co xi Tiết diện cực từ phần chứa nam châm x 43 Fx N 44 K ix N/A Hệ số độ cứng dòng điện 45 K N/m Hệ số độ cứng dịch chuyển x 46 x0 m Tổng lực từ tác dụng lên rotor theo phương trục x Khe hở khơng khí cực từ rotor vị trí cân