Nghiên cứu bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động khoa học

H Cường độ từ trường Hfe Cường độ từ trường trong lõi thép Ha Cường độ từ trường trong khe hở không khí IB Thành phần dòng điện phân cực ib Thành phần dòng điện điều khiển i1 Dòng đi

LỜI CAM ĐOAN

sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015

Người thực hiện

Nguyễn Đức Dương

1.4.1 Những đặc tính cơ bản của ổ từ chủ động 24

2.3.2 Mật độ từ thông của mạch từ 332.3.3 Từ trở R và độ tự cảm L trong mạch từ 34

2.4.1 Cấu trúc của ổ từ chủ động được khảo sát 402.4.2 Các phương trình động lực học của hệ thống AMB 41

3.1 Yêu cầu kỹ thuật với bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ 50

3.2.1 Giới thiệu về bộ băm xung một chiều 51

3.2.4 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp – song song 573.2.5 Băm xung một chiều có đảo chiều (mạch cầu H) 58

4.1.1 Điều chế độ rộng xung – PWM sử dụng PIC18F4520 714.1.2 Chuyển đổi tương tự số A/D sử dụng PIC18F4520 74

4.2.2 Các khối chức năng trên kit vi điều khiển 81

PHỤ LỤC 98

Ψfe Từ thông trong lõi sắt

Ψa Từ thông trong khe hở không khí

λ Từ thông móc vòng cuộn dây

L0 Điện cảm riêng danh nghĩa

Wa Năng lượng từ trường tích lũy trong khe hở không khí

Va Thể tích khe hở không khí

Sfe Tiết diện mặt cắt ngang của vật liệu sắt từ

Sa Tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí

l Chiều dày lõi thép hình chữ C

w Chiều rộng lõi thép hình chữ C

lC Chiều dài đường từ thông trong lõi thép hình C

lI Chiều dài đường từ thông trong lõi thép hình chữ I

g Khe hở không khí tại vị trí danh định

N Số vòng dây

i Dòng điện tức thời

R Từ trở của mạch

S Diện tích mặt cắt của đường sức từ

Rg Từ trở của khe hở không khí

Rc Từ trở của lõi thép hình C

RI Từ trở của lõi thép hình I

x Tọa độ của lõi từ hình chữ I theo phương x

H Cường độ từ trường

Hfe Cường độ từ trường trong lõi thép

Ha Cường độ từ trường trong khe hở không khí

IB Thành phần dòng điện phân cực

ib Thành phần dòng điện điều khiển

i1 Dòng điện điều khiển của cuộn dây nam châm điện 1

i3 Dòng điện điều khiển của cuộn dây nam châm điện 3

F1 Lực từ hướng tâm của cuộn dây nam châm điện 1

F3 Lực từ hướng tâm của cuộn dây nam châm điện 3

Fxx Lực từ hướng tâm theo phương x

ki Hệ số lực – dòng điện

kx Hệ số lực – chuyển vị

ax Gia tốc theo phương x

fkmy Lực hướng tâm tương tác trục x lên trục y

fkmx Lực hướng tâm tương tác trục y lên trục x

Kmx, Kmy Hệ số góc lệch theo phương x, y

θx, θy Góc lệch pha theo phương x, y

Nx Ny Momen quay tổng tác động lên trục x, y

x1 y1 Tọa độ rotor theo phương x, y của ổ từ 1

x2 y2 Tọa độ rotor theo phương x, y của ổ từ 2

xp yp

Tọa độ rotor theo phương x, y trong hệ chuyển động tịnh tiến

xr yr Tọa độ rotor theo phương x,y trong hệ chuyển động nghiêng

Fx Fy Lực hướng tâm do dòng điện sinh ra theo phương x, y

Fx1 Fy1 Lực hướng tâm do dòng điện sinh ra theo phương x1 y1

Fx2 Fy2 Lực hướng tâm do dòng điện sinh ra theo phương x2 y2

Fxp Fyp Lực tịnh tiến theo phương x, y

Fxr Fyr Lực nghiêng theo phương x,y

ix1 iy1 Dòng điện điều khiển theo phương x,y của ổ từ 1

ix2 iy2 Dòng điện điều khiển theo phương x,y của ổ từ 2

ixp iyp Thành phần dòng điện trong hệ tọa độ tịnh tiến theo phương

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AMB Active Magnetic Bearing Ổ từ chủ động

PMB Passive Magnetic Bearing Ổ từ thụ động

SMB Superconducting Material Bearing Ổ từ siên dẫn

HMB Hybrid Temperature Superconduting Ổ từ kiểu lai

MMF Magnetomotive Force Lực từ động

Hình 2.4 Quan hệ giữa lực điện từ - dòng điện trong cuộn stator 38

Hình 2.7 Hệ tọa độ tĩnh xyz và hệ tọa độ quay ijk 42 Hình 2.8 Hệ tọa độ quay chiếu lên trục x – z và y – z 43

Hình 2.10 Sơ đồ khối của lực hướng tâm và độ chuyển dịch 45 Hình 2.11 a Hệ trục tọa độ; b Chuyển động tịnh tiến; c Chuyển động nghiêng 45

Hình 2.15 Mô hình ổ tử đã được tách kênh theo hệ trục tịnh tiến và nghiêng 49 Hình 3.1 Mô hình hệ thống điều khiển ổ từ 1 phương 50

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý băm xung một chiều kiểu song song 55 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý băm xung một chiều nối tiếp – song song 58 Hình 3.6 Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển riêng 60 Hình 3.7 Băm xung một chiều có đảo chiều điều khiển đối xứng 61 Hình 3.8 Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển đối xứng các chế độ dòng điện

62

Hình 3.9 Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển không đối xứng 63

Hình 3.10 Sơ đồ mạch động lực BBĐ công suất dùng điều khiển ổ từ 64

Hình 4.8 Tham chiếu tín hiệu tương tự với tín hiệu số 76 Hình 4.9 Lựa chọn cách ghi kết quả vào thanh ghi chứa 77 Hình 4.10 Lựa chọn T AD phù hợp với tần số thiết bị 78

Hình 4.13 Mạch điện phục vụ thực hành biến đổi tương tự - số 80

Hình 4.19 Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 86

Hình 4.22 Mô hình mạch vòng dòng điện tối giản của ổ từ 1 phương 89 Hình 4.23 Mô hình mạch vòng vị trí của ổ từ 1 phương 90

Hình 4.25 Mô hình điều khiển một cuộn dây stator của ổ đỡ từ 92

khi trục rotor lệch khỏi vị trí cân bằng 94

MỞ ĐẦU

1 Khái quát chung

Ổ đỡ từ tính là một trong những phát minh rất quan trọng với mục đích giảm thiểu tối đa lực ma sát giữa trục quay và các ổ đỡ trong chi tiết máy giúp các chuyển động

dễ dàng hơn, cho hiệu suất cao hơn trong ứng dụng chuyển động của các ngành kỹ thuật Trong lịch sử phát triển đã có rất nhiều nghiên cứu quan trọng về việc cải thiện, thay thế các ổ bi cơ khí bằng ổ đỡ từ, một trong số đó thì nghiên cứu về ổ đỡ từ dùng cho các động cơ điện là thành công nhất Sử dụng ổ đỡ từ cho phép động cơ làm việc với hiệu suất cao, môi trường làm việc khắc nghiệt, độc hại…

Với mục đích xây dựng, thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ luận văn tập chung đi nghiên cứu một số các nội dung cơ bản như sau:

1 Nghiên cứu tổng quan về ổ đỡ từ

2 Xây dựng mô hình toán học của ổ từ chủ động

3 Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động

4 Mô phỏng bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động

2 Tính cấp thiết của đề tài

Ổ đỡ từ tính có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với ổ bi thông thường, do vậy nó góp phần quan trọng trong việc nâng cao tốc độ quay của động cơ, ứng dụng rộng rãi được trong các môi trường làm việc độc hại, khắc nghiệt Ổ đỡ từ được xếp vào loại sản phẩm công nghệ cao, thân thiện với môi trường, trong tương lai có xu hướng phát triển mạnh mẽ Trên thế giới đã có rất nhiều các quốc gia tập chung nghiên cứu sản phẩm này, những ứng dụng của nó vẫn đang trong tiến trình phát triển và nghiên cứu nên chưa được sản xuất hàng loạt và thương mại hóa Trong tương lai gần, khi mà khắc phục được những nhược điểm: giá thành cao, cấu tạo phức tạp kích thước lớn…thì ổ đỡ từ sẽ được ứng dụng rộng rãi

Muốn để ổ từ hoạt động hiệu quả, có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi thì ngoài việc khắc phục các nhược điểm nêu trên thì việc xây dựng bộ biến đổi điện tử công suất dùng để điều khiển ổ từ là hết sức cần thiết

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về ổ đỡ từ

Xây dựng mô hình toán học của ổ từ chủ động

Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động

Mô phỏng bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng là ổ từ chủ động 4 cực, có chặn chuyển động dọc trục, làm việc với tốc

độ cao

Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn trong việc tính toán thiết kế, xây dựng

bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động Sử dụng phần mềm Proteus để

mô phỏng kiểm chứng

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu về ổ từ chủ động là một vấn đề đang được quan tâm ở trong nước cũng như trên thế giới Đã có rất nhiều các nghiên cứu cải thiện và nâng cao chất lượng điều khiển cho ổ từ Đề tài của tác giả tiếp thu theo một số hướng đi, đóng góp thêm những lý luận về ổ đỡ từ làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo

Thông qua việc mô tả mô hình toán học cho ổ đỡ từ, từ đó nghiên cứu xây dựng bộ biến đổi điện tử công suất để điều khiển ổ từ chủ động Với những nghiên cứu đó luận văn sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ổ đỡ từ nói chung và động cơ ổ đỡ từ nói riêng ở trong nước Tiến dần tới việc ứng dụng ổ đỡ từ trong các thiết bị máy móc và trong các lĩnh vực của khoa học kỹ thuật

6 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Dựa trên các định luật cơ – điện để xây dựng mô hình toán học cho ổ từ chủ động Dựa trên đặc tính kỹ thuật, khả năng đóng cắt của các loại van bán dẫn để xây dựng mạch lực cho bộ biến đổi

Sử dụng phần mềm Protues để mô phỏng kiểm chứng kết quả

7 Kết cấu của luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương

Chương 1: Tổng quan về ổ đỡ từ chủ động

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của ổ đỡ từ chủ động

Chương 3: Mạch điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động

Chương 4: Mô phỏng bộ biến đổi công suất dùng cho ổ từ chủ động Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ CHỦ ĐỘNG

Trong chương 1 sẽ trình bày tổng quan về ổ đỡ từ chủ động Bao gồm các khái niệm cơ bản về ổ đỡ từ, lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động và những ứng dụng thực tiễn của ổ đỡ từ chủ động Từ đó đi đánh giá nhằm làm rõ mục tiêu chính nghiên cứu của đề tài Những vấn đề nghiên cứu trong chương 1 sẽ làm cơ sở, nền tảng cho việc xây dựng mô hình toán học cũng như bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động

1.1 Khái niệm về ổ đỡ

1.1.1 Khái niệm chung

Trong các chuyển động quay ổ đỡ là một bộ phận dùng để đỡ trục và giảm ma sát giữa phần quay và phần không quay Cấu tạo của ổ đỡ được mô tả trong hình 1.1

Hình 1.1 Cấu tạo ổ đỡ

Ổ đỡ là một bộ phận nhỏ tuy nhiên lại rất quan trọng đối với các hoạt động quay của thiết bị Khi phải làm việc với tốc độ quay cao, trong môi trường bụi bẩn, khắc nghiệt, nhiệt độ cao…thì ổ đỡ cơ khí gặp phải một số nhược điểm lớn như: thường xuyên phải bôi trơn, bảo dưỡng, kiểm tra thay thế Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc cả trong môi trường yêu cầu độ sạch cao

Xuất phát từ những khó khăn thực tiễn, những nhược điểm mà ổ đỡ cơ khí thông thường đang gặp phải để cải thiện chất lượng ổ đỡ hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế các vòng bi cơ trong động cơ điện và một trong số đó chính là ổ

đỡ từ

Trong ổ đỡ từ các vòng bi từ được sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho các chuyển động quay mà không có tiếp xúc cơ học, giảm tối đa lực ma sát Do đặc điểm nâng không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ từ đã đưa ra những ưu điểm nổi bật so với các loại ổ

đỡ bi thông thường Các ổ đỡ từ có khả năng chịu tải lớn, cho phép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, chân không và các yêu cầu về bôi trơn, bảo dưỡng là không cần thiết Sử dụng ổ đỡ từ trong động cơ điện thay cho các ổ

đỡ bi giúp tăng hiệu suất hoạt động, đem lại nhiều ưu thế cho cho người sử dụng động

cơ Các vòng bi cơ sẽ được thay thế bằng một ổ tròn, bên trong gắn các nam châm điện và trục động cơ sẽ được nâng lơ lửng trong khoảng không giữa ổ từ bởi lực từ trường do các nam châm điện sinh ra

Hình 1.2 Cấu tạo ổ đỡ từ

Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc nhau, nên ổ đỡ từ đang được nghiên cứu, phát triển và được coi là một trong những ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21 và có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo

và sản xuất

1.1.2 Lịch sử phát triển

Kể từ khi được phát hiện cho tới nay thì nam châm vĩnh cửu và những ứng dụng từ trường đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của nhân loại cũng như những nhà nghiên cứu khoa học kỹ thuật trên toàn thế giới Mặc dù đã có nhiều phát hiện rằng từ trường có thể tạo ra được lực nâng mà không cần tiếp xúc cơ học, hạn chế tối đa lực ma sát

nhưng cũng phải trải qua rất nhiều các cuộc nghiên cứu, thử nghiệm trong một thời gian dài mới có thể hình thành được những ý tưởng, kết quả nghiên cứu về ổ đỡ từ

Đã có rất nhiều các cá nhân, tổ chức, công ty, tập đoàn lớn tập chung nghiên cứu, chế tạo ổ đỡ từ và các phương pháp điều khiển chúng Một số công ty đã giành phần lớn công sức để nghiên cứu trong thời gian ban đầu để quan tâm đến điều khiển rung động của các máy điện quay trong các tàu ngầm nhằm làm giảm nhiễu sóng âm Mặc dù đã cho những kết quả tốt nhưng các nghiên cứu này không được công bố do các yếu tố khách quan và bí mật về quân sự

Cho đến năm 1987, Akira Chiba – Đại học Khoa học Tokyo đã đề xuất khái niệm cơ bản về một loại động cơ không ổ đỡ Một năm sau đó, tức là vào năm 1988 một mô hình động cơ không dùng ổ đỡ đã được xây dựng tại trường Đại học này Trong năm này cũng là lần đầu tiên Hội nghị chuyên đề quốc tế về vòng bi từ (ISMB) được tổ chức tại Zurich – Thụy Sỹ Mẫu phát minh cho ý tưởng về động cơ không dùng ổ đỡ cho các loại máy điện này cũng vì thế mà đa dạng: kích thích vĩnh cửu, cảm ứng hay từ trở đồng bộ…được công bố ngay sau đó một năm Kể từ đó tới nay thì đã có rất nhiều các cuộc nghiên cứu để phát triển cho những loại máy điện khác Các Hội nghị về chuyên đề này cũng được tổ chức thường xuyên 2 năm một lần và cũng thu hút được sự quan tâm của đông đảo các chuyên gia trên thế giới Từ giữa những năm 1990 các loại máy điện không ổ đỡ đã được triển khai nghiên cứu ở nhiều nước tiên tiến: Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản…

Trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển thì đã có những nhận định riêng về tương lai phát triển, triển vọng nghiên cứu của các vòng bi từ nói chung và ổ đỡ từ (AMB) nói riêng H.Bleuler tại Hội nghị chuyên đề quốc tế về vòng bi từ vào năm

2008 tức là sau 20 năm phát triển đã chỉ ra rằng xu hướng tích hợp hệ thống sẽ không còn phát triển nhanh chóng như một số năm trước đây nữa, thay vào đó là phát triển các ứng dụng Các vòng bi từ sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu

và các nhà kỹ thuật Các ứng dụng sẽ còn phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác trong vòng 20 năm tới đây

Bảng 1.1 Các đóng góp tiêu biểu cho quá trình phát triển

1994 Phân tích động cơ AC không ổ đỡ

Điều khiển vector cho động cơ cảm ứng không ổ đỡ

Chiba Schoeb

Nhật Bản Thụy Sỹ

1995 So sánh giữa các vòng bi từ kiểu kích thích vĩnh

cửu và kiểu cảm ứng

Okada Nhật Bản

1996 Động cơ trượt không ổ đỡ

Động cơ treo từ tính hướng trục

Schoeb Okada

Thụy Sỹ Nhật Bản

1997 Động cơ treo từ tính cho các thiết bị bơm máu Okada Nhật Bản

1998 Động cơ không ổ đỡ kiểu AMB lai

Động cơ trượt không ổ đỡ cho bơm máu ly tâm

Okada Ueno

Nhật Bản Nhật Bản

1999 Động cơ không ổ đỡ kiểu đơn cực Ichikawa Nhật Bản

2000

Động cơ không ổ đỡ kiểu lực Lorentz

Động cơ ổ đỡ kết hợp kiểu khe hở hướng trục hai

chiều

Okada Ueno

Nhật Bản Nhật Bản

2003 Bơm tim nhân tạo dùng động cơ không ổ đỡ hướng

Động cơ không ổ đỡ kiểu Segment

Nhận biết lực hướng kính và tốc độ cho các động cơ

không ổ đỡ

Gruber Chiba

Áo Nhật Bản

2007 Động cơ không ổ đỡ kiểu từ trở đồng bộ Takemoto Nhật Bản

2009 Động cơ không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo Asama Nhật Bản

2010 Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động cơ DC

không chổi than, không ổ đỡ

Grabner Áo

1.2 Ứng dụng

Ổ từ vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển do vậy ứng dụng của nó vẫn đang được thử nghiệm, hầu hết chưa được sản xuất đại trà cũng như thương mại hóa Ổ từ được phát triển nhanh trong những thời gian gần đây, đặc biệt là trong các ứng dụng sử dụng chuyển động tốc độ cao, ma sát nhỏ, nhiệt độ cao, môi trường độc hại, môi trường chân không

Các hệ truyền động và máy phát điện tốc độ cao có yêu cầu bảo dưỡng bộ phận ổ

đỡ thường xuyên, truyền động bánh đà và máy phát được sử dụng trong tính trữ năng lượng cần có ổ đỡ ma sát nhỏ, trong các dây chuyền chế biến thực phẩm sạch, dược phẩm, dụng cụ y tế, sinh học…việc rò rỉ dầu do nắp của ổ đỡ bi thông thường bị vỡ phải được loại trừ trong những trường hợp này, các thiết bị làm việc trong điều kiện môi trường đặc biệt, bôi trơn ổ đỡ cơ khí của trục luôn là một vấn đề khó khăn, bơm

và quạt gió cho chất lỏng hoặc các chất khí độc hại, dễ cháy nổ, có tính axit cao…cũng có những yêu cầu cao về loại ổ đỡ đặc biệt này Những khó khăn trên nếu

sử dụng các ổ từ sẽ có thể giải quyết được cơ bản, hơn nữa ổ từ cho tuổi thọ rất cao và không cần phải bảo dưỡng

- Các hệ thống chân không và không gian sạch: các vòng bi từ không gặp phải bất

cứ sự ăn mòn cơ khí hoặc sinh ra các chất cặn bẩn Nếu cần thiết, các bộ phận treo này thậm trí có thể được bố trí bên ngoài lớp vỏ của bình chân không trong khi các lực từ vẫn có thể tác động xuyên qua lớp vỏ bình Do các bộ treo không phải chịu tổn thất của lực cản khí động học và tiêu thụ năng lượng thấp nên đây chính là các đặc trưng của các bộ bánh đà trong hệ thống tích trữ năng lượng Trong một số các dây chuyền sản xuất thực phẩm và dược phẩm, AMB sẽ thay thế các ổ đỡ cho các ổ đỡ cơ khí để tránh được sự rò rỉ của dầu bôi trơn

- Các máy công cụ: một trong những ưu điểm chính là độ chính xác cao khiến cho

các vòng bi từ có thể đạt được tốc độ quay cao với khả năng chịu tải tương đối lớn Tốc độ cao là một yêu cầu cần thiết trong quá trình mài chính xác các chi tiết cơ khí nhỏ

- Máy gia tốc: đây chính là lĩnh vực ứng dụng chính của AMB Lĩnh vực này bao

trùm từ các máy bơm gia tốc phân tử (turbo – molecular pumps) cỡ nhỏ cho đến các

máy phát và máy nén gia tốc có công suất cao (Megawatts) Một ưu điểm đó là khả năng điều khiển và làm tắt dần rung động, và đạt được đáp ứng động tốt như mong muốn Hơn nữa, các đặc trưng quan trọng khác đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm đó là khả năng tự điều khiển và chuẩn đoán, giá thành bảo dưỡng thấp, và mức tiêu thụ năng lượng thấp Cùng với sự có mặt của các thiết bị điện tử công suất

có hiệu suất làm việc cao, AMB chính là sự lựa chọn cho các máy tốc độ cao có công suất lớn, thay thế dần nhu cầu ghép nối giữa các máy phát gia tốc tốc độ cao đến hộp giảm tốc trong các hệ truyền động máy phát và các máy phát tốc độ thấp

- Các thiết bị y tế: một số ứng dụng cụ thể là việc sử dụng các vòng bi từ trong bơm

tim nhân tạo Chính xác hơn đó là một thiết bị hỗ trợ tâm thất trái làm nhiệm vụ trợ giúp cho quả tim yếu của bệnh nhân luôn giữ được lượng máu bơm đi tại một mức mong muốn nhằm cung cấp quá trình tuần hoàn máu như yêu cầu:

- Các bộ treo siêu dẫn: ưu thế của các bộ treo siêu dẫn với khả năng thụ động cố hữu

của chúng hứa hẹn sẽ là một sự lựa chọn khác bên cạnh AMB Tuy nhiên để đạt được các thuộc tính tắt dần trong một hệ thống treo siêu dẫn cho máy điện quay thì vẫn cần phải dùng thêm cả các bộ chống dao động tích cực bằng AMB

1.3 Phân loại

Vòng bi từ có thể được phân loại theo nhiều cách

- Dựa theo phương pháp điều khiển: chủ động (active), thụ động (passive) hoặc lai (hybrid)

- Dựa theo nguồn sinh ra từ trường có thể được chia thành các nam châm vĩnh cửu, nam châm điện

- Cũng có thể phân loại theo các loại lực nâng: là loại hút và loại đẩy

- Dựa theo chức năng chịu tải: loại ổ đỡ dọc trục và ổ đỡ ngang trục

1.3.1 Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing – AMB)

Loại ổ từ này làm việc dựa trên nguyên tắc điều chỉnh lực từ thông qua dòng điện

Ổ từ chủ động bao gồm nhiều bộ phận như nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách

Các ổ từ chủ động cho phép điều khiển hệ số cứng và hệ số tắt dần của ổ đỡ, do đó

có thể ảnh hưởng đến trạng thái động học của đối tượng trong suốt quá trình hoạt động

Trong một ổ từ tích cực, chênh lệch độ tự cảm giữa bề mặt đối lập nhau của hai khe

hở không khí sẽ xác định lực Maxwell đặt lên rotor Các lực này tỉ lệ với bình phương

độ tự cảm Nam châm vĩnh cửu có thể được sử dụng để tạo ra từ thông phân cực, tăng giá trị độ tự cảm tuyệt đối Sự thay đổi điểm làm việc sẽ làm tăng giá trị lực có thể đạt được Nam châm vĩnh cửu trong các ổ từ tích cực có thể được sử dụng để bù lại tải tĩnh, như trọng lượng của rotor, làm giảm công suất cần thiết của AMB

Hầu hết các ứng dụng công nghiệp sử dụng lực nâng từ trường đều dựa trên ổ từ chủ động:

1.3.2 Ổ từ thụ động (Passive Magnetic Bearing – PMB)

Với ổ từ thụ động, ta coi như ổ đỡ chỉ làm được bằng nam châm vĩnh cửu và vật liệu sắt từ để dẫn từ thông Ổ từ thụ động không có thành phần đặc trưng cho tính chủ động là cuộn dây đồng

Ổ từ thụ động có đặc tính cố định, thiết lập bởi kích thước và thiết kế cơ khí: khả năng tải và độ cứng được xác định bởi loại vật liệu nam châm vĩnh cửu, hình dạng cực

từ, diện tích, độ dày và cấu hình, khe hở ổ từ và kích thước của các bộ phận thép từ Việc tăng độ dày của nam châm và các cấu trúc cực từ có hiệu quả dễ cải thiện khả năng tải của ổ từ Tuy nhiên, khi nam châm quá lớn thì lực nâng tạo ra không đủ để nâng đỡ khối lượng của chính nó Vì vậy, các thiết kế ổ từ nam châm vĩnh cửu không thể quá lớn PMB có ưu điểm:

- Kích thước nhỏ gọn

- Không cần bộ điều khiển

đó, trạng thái ổn định quay hoặc hồi chuyển là khả thi

Một nhược điểm nữa của ổ từ thụ động là khả năng giảm rung kém Do đó, việc sử dụng trong công nghiệp chỉ giới hạn trong các ứng dụng có sẵn bộ giảm rung chấn, ví

dụ vật thể bay được nhúng trong chất lỏng, sử dụng vật liệu dẫn điện Trong đó, dòng điện xoáy được tạo ra do sự chuyển động tương đối của vật thể được nâng, trong khung đứng yên của cấu trúc ổ đỡ thụ động

1.3.3 Ổ từ siêu dẫn (Superconducting Material Bearing – SMB)

Được chế tạo từ các nam châm vĩnh cửu và chất siêu dẫn, lực nâng được tạo ra theo nguyên lý đẩy (hiệu ứng Meissner) Vật liệu siêu dẫn (Superconducting Material) dựa trên tính chất vật liệu rất đặc biệt: độ từ thẩm tương đối μr = 0, nhận được sự quan tâm rộng rãi của công nghệ Mặc dù vẫn đang trong phạm vi phòng thí nghiệm nhưng các ứng dụng công nghiệp có khả năng phát triển trong tương lai không xa Đặc tính cốt lõi của vật liệu siêu dẫn là ở nhiệt độ thấp, điện trở biến mất Một dòng điện trong vật liệu siêu dẫn sẽ tiếp tục chảy ngay cả khi không còn bất cứ nguồn điện áp nào Tất cả

từ trường bị ép ra bên ngoài vật liệu siêu dẫn bởi hiệu ứng Meissner; do đó cho phép bay lơ lửng ổn định giữa các nam châm vĩnh cửu Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS – High Temperature Superconduting) mới đây thể hiện tính chất quý giá này ở nhiệt

độ của nitơ lỏng, và một vài vật liệu ngoại lai khác thậm chí còn ở nhiệt độ cao hơn

Francis Charles Moon mô tả thí nghiệm sử dụng vật liệu siêu dẫn nâng 1 rotor quay với vận tốc 120.000 vòng/phút Nghiên cứu trên động cơ và máy phát HTS được thực hiện khắp thế giới (Siemens) Ở khoảng nhiệt độ thấp hơn 60K, khả năng của ổ từ được duy trì hầu như không đổi Ban đầu ổ từ được làm lạnh xuống 28K, có thể hoạt động khoảng 2 tiếng mà không cần làm lạnh thêm Do đó, trong tương lai, có thể giảm rung chấn của rotor bằng cách bổ xung AMB mà không cần trong khu vực làm lạnh

Xa hơn nữa, ổ đỡ cơ khí phụ trợ có thể rất đơn giản và chỉ sử dụng cho mục đích bảo dưỡng

1.3.4 Ổ từ kiểu lai (Hybrid Magnetic Bearing – HMB)

Nam châm vĩnh cửu trong cấu hình tĩnh không có khả năng ổn định vị trí của 1 vật thể lơ lửng Để ổn định sự nâng lên như vậy đòi hỏi phải có lực hồi chuyển bổ xung Ngược lại, nó có thể khá hữu ích khi áp dụng nam châm vĩnh cửu để nâng đỡ 1 vật hoặc giảm tải trọng trên ổ đỡ thông thường Do đó, nam châm vĩnh cửu cũng có thể được tích hợp bên trong ổ từ chủ động, ví dụ như, cung cấp từ thông phân cực cho đặc tính tuyến tính hóa của ổ đỡ mà không cần tiêu thụ năng lượng

Có vài hệ thống kết hợp ổ từ thụ động đã được xây dựng trong quá khứ Một ví dụ quan trọng trong công nghiệp là bơm tốc độ cao kiểu lai Trong đó, kết hợp ổ đỡ chủ động và thụ động, thậm chí là cả bộ giảm rung bằng cơ khí Lý do cho sự kết hợp này

là tại thời điểm đó, chi phí cho việc nâng cả 5 trục một cách chủ động là tương đối cao Tuy nhiên, đến nay chi phí cho việc hoàn toàn dùng hệ thống chủ động đã được cắt giảm xuống mức cạnh tranh, kết quả là bơm tốc độ cao kiểu lai được thay thế bởi loại hoàn toàn chủ động

Giữa tất cả các loại kiểu phân loại trên có một số hạn chế đặc biệt nên chú ý như sau:

- Loại ổ từ nam châm vĩnh cửu chỉ là loại thu động (passive), nên không thể được

ổn định trong ba hướng, ít nhất một hướng nên áp dụng loại điều khiển chủ động

- Loại ổ từ có nguồn kích thích 1 chiều chỉ có thể là loại chủ động (active)

- Loại ổ từ hoàn toàn sử dụng nam châm điện là loại ổ từ điều khiển được 5 bậc

tự do, khối lượng, chất lượng, tiêu thụ năng lượng lớn nhất

- Loại ổ từ tạo lực đẩy có lực từ tạo ra nhỏ, cấu trúc phức tạp, hiếm khi được sử dụng

Ta thấy, loại ổ từ chủ động có ưu điểm đặc biệt là động học rotor có thể được điều khiển một cách chủ động thông qua ổ đỡ Kết quả là, những tính chất trên cho phép các thiết kế mới, tốc độ cao với khả năng giảm rung một cách chủ động, mật độ công suất lớn, không có hao mòn cơ học, ít bảo trì, chi phí thấp

Đây chính là loại ổ từ được nghiên cứu, phân tích trong luận văn

- Khoảng cách giữa rotor và ổ đỡ thường là rất bé, chỉ bằng khoảng một vài phần của 1mm, tuy nhiên trong một số ứng dụng cụ thể, nó có thể lên đến 20mm

- Rotor có thể cho phép quay ở tốc độ cao Tốc độ quay tròn bên trong ổ đỡ, chỉ

bị giới hạn bởi độ bền vật liệu của rotor

- Tổn thất trong ổ đỡ thấp, khi làm việc ở tốc độ cao, tổn thất do các bộ AMB gây

ra thấp hơn từ 5 đến 20 lần so với các loại ổ đỡ thông thường

- Khả năng chịu tải cụ thể của AMB phụ thuộc vào vật liệu sắt từ và thiết kế của

nó, thông thường khoảng 20N/cm2

và có thể đạt đến 40N/cm2

- Động học của sự nâng không tiếp xúc chủ yếu phụ thuộc vào luật điều khiển được sử dụng Luật điều khiển được thực hiện bởi vi xử lý, giúp cho thiết kế rất linh hoạt

- Thực hiện chuẩn đoán dễ dàng, khi trạng thái rotor được đo, thông tin này được

sử dụng để kiểm tra hiệu suất và tình trạng hoạt động Thậm trí còn có thể chuẩn đoán một cách chủ động bằng cách sử dụng AMB như là cơ cấu chấp hành để tạo ra các tín hiệu kiểm tra, đồng thời với chức năng ổ đỡ của chúng

- Giá thành bảo dưỡng thấp và tuổi thọ cao hơn Lý do chủ yếu là do không có ma sát

- Giá trị cấu trúc của AMB: nó là 1 loại sản phẩm cơ điện tử đặc thù Chi phí phát triển một nguyên mẫu, chủ yếu do yêu cầu phần mềm, có thể khá cao Mặt khác, việc sản xuất hàng loạt có thể cho chi phí thấp hơn bởi tính khả chuyển của các phần mềm này

(a): ba cực (b): bốn cực (c): tám cực

Hình 1.3 Cấu tạo một số loại ổ từ

- Loại ổ từ chủ động ba cực có ưu điểm nhỏ gọn, dễ chế tạo và số lượng bộ khuếch đại công suất ít Tuy nhiên, lực nâng có phân bố không đối xứng, khó thực hiện việc tách kênh và có tính phi tuyến rất mạnh, vì vậy việc đảm bảo ổ từ chủ động ba cực làm việc ổn định là rất khó khăn và thường đòi hỏi hệ điều khiển phức tạp

- Loại ổ từ chủ động tám cực có phân bố lực nâng đối xứng và dễ dàng thực hiện điều khiển tách kênh nhưng lại có quá nhiều cực dẫn tới số lượng bộ khuếch đại công suất và tổn hao trong ổ từ cũng tăng

- Loại ổ từ chủ động bốn cực dung hòa cả hai yếu tố trên và đang được đẩy mạnh nghiên cứu Đây cũng chính là đối tượng nghiên cứu chính trong luận văn này Hình dạng bên ngoài và các bộ phận chủ yếu của ổ đỡ từ chủ động bốn cực (AMB) hướng tâm như hình 1.4

Hình 1.4 a Hình dạng b Các bộ phận của ổ đỡ từ

Ổ đỡ từ có cấu tạo tương tự như một động cơ điện, tuy nhiên thay vì tạo ra moment xoắn để quay rotor, nó lại tạo ta một lực nâng rotor để quay trong lòng ổ (Stator) khi nâng khoảng cách giữa rotor và stator rất nhỏ (0,5÷2mm)

Một ổ đỡ từ bao gồm có 3 bộ phận chính

- Ổ đỡ từ và trục được treo trong lòng nhờ từ trường

- Các cảm biến

- Hệ thống điều khiển

1.4.3 Phân tích nguyên lý hoạt động

Nguyên tắc làm việc của ổ đỡ từ tương tự như một nam châm điện, nghĩa là có thể tạo nên chuyển dịch cơ học theo một phương nào có bằng các lực hút hoặc đẩy điện từ

Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản AMB một bậc tự do

Trước hết, ta xem xét một cấu trúc mô tả cho AMB tối giản như hình trên là một bậc tự do Từ việc phân tích và hiểu rõ các thuộc tính cơ bản của một hệ thống với một bậc tự do (Degree Of Freedom - DOF), thì việc đi phân tích và xây dựng một

mô hình toán học cho một hệ thống nhiều hơn một bậc tự do sẽ dễ dàng và thuận lợi hơn rất nhiều Trong hình trên mô tả cấu trúc cơ bản của một vòng điều khiển kín cho AMB với các thành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống AMB theo một phương (x) Các thành phần này là chức năng của chúng sẽ được mô tả sơ bộ dưới đây

Đây là một hệ thống không ổn định cố hữu Sự mất ổn định này là do lực hấp dẫn của cơ cấu điện từ Do đó, cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực đối với mạch từ

Cơ cấu điện từ bao gồm một rotor được treo tự do tại một khoảng cách danh định

so với cơ cấu điện từ Do đó, cần thiết phải có một giải pháp điều khiển tích cực đối với mạch từ

Cơ cấu điện từ bao gồm một rotor được treo tự do tại một khoảng cách danh định

so với cơ cấu điện từ Cảm biến vị trí không tiếp xúc (thường là kiểu cảm biến dòng

điện xoáy hoặc cảm biến điện cảm) sẽ đo độ sai lệch x giữa vị trí mà ta mong muốn x 0

với vị trí thực của rotor và cung cấp thông tin này đến bộ điều khiển Mục tiêu chính của bộ điều khiển là nhằm duy trì vị trí của rotor tại giá trị mong muốn của nó Điều

này không chỉ làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn f m được tạo ra bởi mg (tích

của trọng lượng rotor với gia tốc trọng trường) tại điểm làm việc tĩnh mà còn nhằm đạt được sự ổn định hóa, chính là chất lượng quan trọng nhất của quá trình điều khiển

Khi rotor chuyển dịch vượt quá giá trị x 0 cảm biến vị trí sẽ cung cấp một bộ biến tần

một pha, làm thay đổi biên độ của dòng điện tần số cao cung cấp cho cuộn dây của cơ

cấu điện từ và sau đó, sẽ tạo ra lực điện từ f m như mong muốn và đưa rotor trở về giá

trị cân bằng (vị trí danh định) Về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển đi xuống, cảm biến sẽ cung cấp một tín hiệu chuyển dịch để làm tăng dòng điện điều khiển lực điện từ gia tăng khi đó sẽ kéo rotor quay trở lại vị trí ban đầu (vị trí danh định) của nó

Bộ biến tần một pha và cơ cấu điện từ của AMB là các thành phần phụ thuộc chặt chẽ với nhau Các thuộc tính quan trọng của AMB, chẳng hạn như động lực học của lực phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế của cả bộ biến tần và cơ cấu điện từ của AMB, bao gồm dòng điện và điện áp bộ khuếch đại, hình dạng của ổ đỡ từ, số vòng dây và điện cảm của cuộn dây

1.5 Một số các nghiên cứu liên quan hiện nay

1.5.1 Những nghiên cứu trong nước

Các xu hướng nghiên cứu và phát triển cho các vòng bi từ có thể được phân ra làm bốn hướng chính như sau:

- Nghiên cứu ứng dụng

- Nghiên cứu thu nhỏ kích thước ổ từ

- Nghiên cứu làm việc trong những môi trường đặc biệt

- Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại

Tại Việt Nam hiện nay, việc nghiên cwuss và ứng dụng các vòng bi từ mới được triển khai trong những năm gần đây, do số lượng các tác giả có những kết quả công bố hay nghiên cứu đáng kể và chuyên sâu vào lĩnh vực này còn hạn chế Bộ môn Điều khiển – Tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong những cơ sở sớm có những triển khai liên quan Các vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu tại đây bao gồm:

- Nghiên cứu chế tạo

- Nghiên cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển vòng bi từ

- Nghiên cứu thu nhỏ kích thước cho động cơ nâng bằng vòng bi từ

o Tích hợp chức năng vòng bi từ dọc trục vào động cơ

o Điều khiển vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ

- Nghiên cứu các ứng dụng

Trong khuôn khổ của luận văn này tác giả chỉ đi nghiên cứu đến bộ biến đổi điện tử công suất dùng cho ổ từ chủ động Từ đó xây dựng mô hình mô phỏng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm

1.5.2 Những nghiên cứu ở nước ngoài

Trên thế giới, các công bố liên quan đến nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển cho các hệ thống AMB, kể từ những năm 1990 trở lại đây, có sự gia tăng đáng

kể Những nước tiến tiến đang đi đầu trong lĩnh vực này bao gồm có Nhật Bản, Thụy

Sỹ, Brazil và một số nước khác Ngoài ra, Trung Quốc và Hàn Quốc hiện cũng nổi lên như là hai nhân tố mới với nhiều ý tưởng và ứng dụng mới Đối với hướng nghiên cứu các bộ điều khiển hiện đại ứng dụng cho AMB, một số các nghiên cứu tiêu biểu dưới đây đã được dùng tham khảo trong luận văn này

Các tác giả Russell D.Smith và William F Weldon đã trình bày trong nghiên cứu một phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống nâng từ tính rotor cứng Thông qua các kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển trượt, các tác giả đã cấu trúc nên một luật điều khiển phi tuyến có thể duy trì trục rotor ở vị trí trung tâm Các kết quả mô phỏng đã chứng minh khả năng chống nhiễu và bền vững của nó đối với các thông số bất định và các động lực học không mô hình được

Một mô hình toán học của hệ thống AMB với đầu vào điện áp và dòng điện ở dạng tiền định đã được Abdul R.Husain, Mohamad N Ahmad và Abdul H.M Yatim phát triển và trình bày trong nghiên cứu của mình Do các thuộc tính phi tuyến có trong hệ thống chẳng hạn như hiệu ứng hồi chuyển và mất cân bằng trọng lượng đã dẫn đến việc thiết kế một bộ điều khiển chuyển động có thể ổn định hóa hệ thống Để tổng hợp được bộ điều khiển, các tác giả đã chuyển mô hình AMB phi tuyến sang dạng tiền định bằng cách sử dụng các giới hạn trên và dưới cho trước của các hệ thống số và các

biến trạng thái của hệ Tuy vậy kết quả thu được từ nghiên cứu của các tác giả trên còn gặp nhiều hạn chế

Marcio S.de Queiroz và Darren M Dawson đã sử dụng một mô hình điều khiển phi tuyến ứng dụng kỹ thuật backstepping để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống AMB Bộ điều khiển này cần phải đo lường được vị trí rotor, tốc độ rotor và dòng điện stator Tín hiệu dòng điện mong muốn được thiết lập nên để tạo ra lực như mong muốn cho các hệ cơ khí con bằng cách đáp ứng thỏa mãn một phương trình thiết kế tĩnh trong khi cũng vẫn thỏa mãn một số các ràng buộc khác của các bước backstepping Do đó, bộ điều khiển tạo ra được quá trình bám theo vị trí rotor toàn cục dạng hàm mũ

Jonh Y.Hung, Nathaniel G.Albrinton và Fan Xia năm 2003 đã thiết kế một hệ điều khiển phi tuyến cho ổ đỡ từ Thiết kế này phối hợp các khái niệm tuyến tính hóa phản hồi Các phương trình chuyển động thu được bao gồm từ thông dò, động lực học điện – từ, và động lực học cơ – từ, cùng với một mô hình biến trạng thái Với phương pháp điều khiển phi tuyến này, kết quả cho thấy đáp ứng phản hồi vòng kín được điều chỉnh dễ dàng hơn và bộ điều khiển phi tuyến sử dụng dòng điện thấp hơn đáng kể so với bộ điều khiển tuyến tính do không cần đến các dòng điện phân cực trong các phần

tử điện từ

Ngoài ra, trong một số các nghiên cứu khác gần đây, các tác giả cũng đã đề xuất một hướng tiếp cận mới để điều khiển các bộ AMB Giải pháp điều khiển tập trung dựa trên MHTT được áp dụng cho đối tượng MIMO Bộ điều khiển LQG đề xuất cho thấy khả năng chống nhiễu hiệu quả Trong phương pháp điều khiển bền vững: H∞ và tổng hợp μ cũng đã đưa ra để khắc phục những nhược điểm của phương pháp LQ, do các thuộc tính bền vững không được đánh giá rõ ràng

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ TỪ CHỦ ĐỘNG

2.1 Giới thiệu chung

Trong quá trình thiết kế một bộ điều khiển và đưa bộ điều khiển này vào thực tế thì việc cần thiết là đi xây dựng một mô hình toán học giúp mô tả bản chất vật lý của một đối tượng, mô hình này được gọi là mô hình danh định Do vậy, một hệ thống điều khiển danh định là mô hình được thể hiện dưới dạng các phương trình toán học Việc xây dựng mô hình toán học cho một đối tượng là hết sức cần thiết do vậy khi mô tả dưới dạng toán học càng sát với mô hình vật lý thì việc điều khiển càng đạt chất lượng cao như mong muốn

Cũng giống như các loại máy điện khác, việc phân tích mô hình toán học của ổ từ chủ động (AMB) sẽ dựa trên mạch từ tương đương Việc phân tích này sẽ thực hiện tính toán điện cảm, độ tập chung của từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực từ

Trong chương này tác giả sẽ trình bày các cấu trúc cơ bản, phân tích các mô hình toán học của ổ từ chủ động (AMB) và các cơ cấu chấp hành liên quan Các kết quả phân tích sẽ đưa ra được một phép biểu diễn cuối cùng cho hệ thống ổ từ chủ động (AMB) bốn bậc tự do

Hình 2.1: Sơ đồ mặt cắt của ổ đỡ từ 4 cực

Hình a: 1 ổ, hình b: 2 ổ

Nhận thấy, cấu trúc hai ổ đỡ là giống nhau, vì vậy, ta có thể xây dựng mô hình toán học của từng ổ đỡ Để thiết lập được mối quan hệ động lực học của ổ đỡ từ chủ động trước hết ta phân tích và tính toán từ thông, từ trở, điện cảm, mật độ từ thông, năng lượng từ tích trữ và lực từ theo các phương chuyển dịch (x, y) của trục Trên cơ

sở đó chúng ta đi xây dựng mô hình toán học của ổ từ chủ động

2.3 Cơ sở toán học của hệ nâng từ trường

2.3.1 Mạch từ

Trong công nghệ nâng bằng từ trường, các phần tử điện từ gây ra từ thông khép kín trong một vòng từ Khi phân tích những mạch vòng từ như vậy, việc tính toán chính xác từ trường thường không khả thi và không thực sự cần thiết Thông thường chúng

ta dựa vào một số các giả thiết như sau:

Trong đó:

Sfe: tiết diện mặt cắt của lõi thép

Sa: tiết diện mặt cắt khe hở không khí

N: số vòng dây, I: dòng điện tức thời

x0: khe hở không khí

lC + lI + 2x0: chiều dài trung bình đường

- Từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ (không có từ thông dò) ngoại trừ trong khe hở không khí, vì độ thẩm từ của vật liệu sắt từ μ = μ0.μr lớn hơn nhiều lần so với độ thẩm từ không khí, các đường đi của từ trường khi rời khỏi vật liệu sắt từ gần như vuông góc với bề mặt của nó

- Như trên hình 2.2 thể hiện một cơ cấu điện từ được dùng để nâng một lõi sắt từ hình chữ I bằng một lực từ Lõi sắt hình chữ C có (chiều dày x chiều rộng) = (l x w), đường sức từ thông khe hở không khí được biểu diễn bằng đường nét liền khép kín qua lõi sắt từ chữ C và chữ I Cuộn dây trên cơ cấu điện từ có số vòng dây là N Dòng điện tức thời có giá trị là i, khe hở không khí tại vị trí danh định là x0

- Để tính toán mật độ từ thông B, dựa vào một số các giả thiết sau: từ thông ψ chỉ chạy hoàn toàn trong vòng từ khép kín, tiết diện mặt cắt của vật liệu sắt từ Sfe cũng được giả thiết là không đổi trên toàn bộ vòng từ khép kín và bằng với tiết diện mặt cắt trong khe hở không khí Sa

Từ công thức:  B S fe fe B S a a (2.1)

Vậy từ trường trong mạch từ khép kín được giả thiết là đồng nhất trong cả vật liệu sắt từ và khe hở không khí Cho nên, khi tính toán chúng ta dựa trên chiều dài trung bình của đường đi từ trường và chiều dài khe hở không khí thực

Khi mật độ từ thông B trong lõi sắt từ và khe hở không khí là như nhau, thay thế vào công thức số (2.3) và công thức (2.7) chúng ta có được:

C r r

Ni B

B x

Hình 2.3: Mạch từ hóa tương đương

Hình 2.3biểu diễn mạch điện biến đổi tương đương cho mạch từ của cơ cấu điện từ trong hình 2.2 Các thành phần sức từ động, từ thông, từ trở và mạch từ không đổi được xem xét tương ứng như các thành phần điện áp, dòng điện, điện trở và nguồn điện một chiều (DC) trong mạch điện Sự khác biệt ở đây là từ trở là thành phần tích trữ năng lượng chú không phải là thành phần tiêu tán năng lượng Nguồn điện một chiều DC – Ni biểu diễn cho sức từ động do dòng điện trên cuộn dây sinh ra

Từ trở của mạch từ được định nghĩa như sau:

    là độ từ thẩm của môi trường chân không, rlà

độ từ thẩm tương đối, giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu từ mà từ trường tác động lên Trong môi trường chân không và môi trường đồng nhất, giá trị này được coi bằng

1

Độ tự cảm L là tỷ số của từ thông dây cuốn sinh ra bởi một vòng dây với dòng điện chạy trong vòng dây đó Đối với một cuộn dây có N vòng, độ tự cảm của cuộn dây sẽ được xác định bằng công thức:

N L i



Trong đó: ψ: là từ thông tổng sinh ra bởi 1 vòng dây

Thay thế công thức (2.1), (2.2) và (2.10) thay thế vào (2.14) ta có độ tự cảm L của mạch từ có thể được tính gần bằng:

2 0 0 2

a

N S L

Điện cảm ổ đỡ từ đóng vai trò quan trọng trong thiết kế bộ khuếch đại công suất Điện áp cảm ứng từ u trên cuộn dây có N vòng dây được tính bởi công thức sau:

Khi quan tâm đến năng lượng từ Wa được tích trữ trong một thể tích khe hở không khó của hệ thống, V a  2x S0 a, Sa được giả thiết là vùng chiếu của bề mặt cực, ta có thể dẫn ra được lực từ tại một chuyển dịch bất kỳ Trường hợp từ trường tại khe hở không khí là đồng nhất, như thể hiện trong hình 2.3 năng lượng tích trữ Wa được tính toán theo công thức (2.15)

2 2



 sau đó thay vào công thức (2.17) ta có:

2 2 0

0

1 W 2 2

a a

c I

S N i l l x

Va và năng lượng từ trường cũng tăng lên một lượng bằng dWa Nếu vật thể bị dịch chuyển đi một lượng x thì một lực điện từ F bằng với vi phân từng phần của năng lượng từ trường với khe hở không khí được sinh ra và ta xác định được:

Ta thấy: phương trình (2.19) cho thấy lực điện từ tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện và tỷ lệ nghịch với bình phương của khe hở không khí

2.3.4.2 Lực điện từ khi không kể đến từ hóa lõi thép

Khi không kể đến ảnh hưởng của độ từ hóa của vật liệu sắt từ, thành phần

2.3.4.3 Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong các bộ AMB

Khi khe hở không khí thay đổi một lượng x so với vị trí ban đầu là x0 do dòng điện đầu vào thay đổi một lượng i so với dòng điện phân cực i0 Lực hấp dẫn F của cơ cấu điện từ trong công thức (2.20) có thể được biểu diễn như sau:

2 0 2 0

i x s

FFeK i K xp x p x  (2.24) Với:

Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện trong biểu thức (2.19) ở dạng bình phương cho thấy đây là mối quan hệ phi tuyến Thông thường các hàm phi tuyến được xấp xỉ bằng phương pháp tuyến tính hóa tại điểm làm việc

Lực điện từ có thể viết được dưới dạng tuyến tính như sau:

F x i x , K i i xK x s mx (2.28)

Hình 2.4 Quan hệ giữa lực điện từ - dòng điện trong cuộn stator

và chuyển dịch của rotor

Ở đây, lực điện từ Fx được tính từ độ dốc ki của đường parabol tại điểm làm việc,

ks là độ dốc của đường cong l/s2 tại điểm làm việc cho bởi dòng điện i0 và khe hở danh định x0

Thông thường trong một bộ AMB gồm có hai phần tử điện từ làm việc ngược nhau, như thể hiện trong hình 2.5 Kiểu kết cấu này khiến cho AMB dễ dàng tạo ra các lực dương và âm Trong chế độ vi sai, một phần tử điện từ được điều khiển bởi tổng của dòng điện phân cực i0 và dòng điện điều khiển ix, (i0 + ix), phần tử điện từ kia

sẽ được điều khiển bởi một hiệu (i0 – ix) Lực Fx trong hình 2.5athể hiện sai lệch giữa các lực của các phần tử điện từ bên trên và bên dưới Ta có thể thu được hai lực này bằng cách thay (i0 + ix) và (i0 – ix) cho dòng điện i Đối với khe hở không khí (x0 – x)

và (x0 + x) cũng được thay vào biểu thức khi đó ta có như sau:

Trong đó: 0

2 0

4 os

4 os

Hình 2.5a Chế độ vi sai của AMB

Khi hệ thống ổ từ chủ động AMB được xét đến có cấu tạo gồm hai ổ từ bố trí tại hai phía, ta có được các lực hấp dẫn Fx1 và Fx2 theo phương x của hai ổ từ này Các lực này sẽ được biểu diễn như sau:

2.4 Các phương trình động lực học của hệ thống AMB

Khi xét các phương trình động lực học của Rotor cần quan tâm đến các thuộc tính về hệ cơ của AMB Điều này sẽ cho thấy các phương pháp đối với việc khảo sát toán học, và sẽ chỉ ra các đặc tính và các giới hạn vật lý trên đáp ứng của chúng Vậy nên chúng ta cần có sự phân tích động lực học của các hệ thống AMB bới một số các

lý do sau đây:

- Khảo sát cơ bản các ảnh hưởng phi tuyến lên đáp ứng động của các vòng bi từ có thể cung cấp những điều cần thiết từ đặc tính của hệ thống tại các chế độ làm việc khác nhau, và có thể dự đoán được các đáp ứng động phức tạp của hệ

- Cần có một mô hình tham số chính xác cho AMB đối với thiết kế tối ưu nhằm đạt được chế độ làm việc tin cậy và ổn định

Đối tượng nghiên cứu là một hệ thống gồm hai bộ AMB, được bố trí tại hai đầu của Rotor, để điều khiển chuyển vị phương đứng và phương ngang của rotor theo 4 bậc tự

do (bốn phương) Bộ ổ từ 1 tạo ra các lực treo hướng kính theo các trục x1 và y1, bộ ổ

từ 2 tạo ra các lực treo hướng kính theo các trục x2 và y2 Đáng lưu ý rằng, khi xem xét đến cả các góc nghiêng trong chuyển động của trục rotor thì ảnh hưởng hồi chuyển gây nên sự xem kênh không mong muốn giữa các trục x1 y1 x2 và y2

2.4.1 Cấu trúc của ổ từ chủ động được khảo sát

Hình 2.6 minh họa cấu trúc của một hệ thống AMB được lựa chọn để khảo sát Theo cấu trúc này, hệ thống gồm 2 bộ AMB được bố trí ở hai đầu của trục động cơ Phần chính giữa là rotor của động cơ Hai bộ AMB sẽ gồm có hai rotor, là phần chuyển động, có dạng hình trụ trục ngang bằng vật liệu sắt từ Tương ứng cho hai phần rotor của AMB là hai phần stator, là phần tĩnh, bao quanh các rotor này Mỗi phần stator gồm có 4 cực và một gông từ Gông từ làm nhiệm vụ cố định phần stator

và làm đường dẫn khép kín cho đường đi của từ thông Kích thước của gông từ phải được thiết kế đủ lớn để tránh được bão hòa mạch từ và có được độ cứng cơ tính cao nhằm chống lại được rung động do các lực từ hướng kính gây ra Vùng không gian giữa các cực từ để dành cho phần dây cuốn