Thiết kế và chế tạo tay gắp chủ (master gripper ) phản hồi lực hai chiều sử dụng lưu chất điện từ biến

Sơ đồ khối hệ thống phản hồi lực 1.1.2 Một số ứng dụng của hệ thống phản hồi lực Trên thế giới, robot đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các khâu sản xuất phức tạp nhằm mục đích nâng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC

1.1 Hệ thống phản hồi lực và ứng dụng

1.1.1 Giới thiệu hệ thống phản hồi lực

Với những bước phát triển nhanh chóng trong công nghiệp, hiện nay người ta

đã sáng tạo nhiều robot điều khiển từ xa Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm, an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc nặng nhọc, độc hại Robot điều khiển từ xa cổ điển đã thay thế các hoạt động của con người và đem lại lợi ích cho con người như: khám phá vũ trụ, khai thác các nguồn lợi từ đại dương,… Robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn Tuy nhiên người điều khiển các robot kiểu cổ điển không thể cảm nhận được những hành động mà các robot thực hiện thông qua các giác quan của con người

Để khắc phục các nhược điểm của robot điều khiển từ xa cổ điển, robot điều khiển từ xa có phản hồi lực giao tiếp kiểu xúc giác (haptic) đã được nghiên cứu và ứng dụng Robot điều khiển từ xa có phản hồi lực giao tiếp kiểu xúc giác là một dạng đặc trưng của thiết bị robot được dùng để hiển thị thông tin cảm nhận về lực tiếp xúc từ một môi trường ảo hoặc từ xa đến người sử dụng Nó giúp ta có thể cảm nhận như mình đang trực tiếp cầm, nắm hay làm việc gì đó mặc dù chúng ta đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera Khả năng tương tác cơ học với các đối tượng ảo thông qua việc thành lập các thông tin phản hồi xúc giác cho phép người vận hành giám sát, thao tác các đối tượng trong môi trường mô phỏng hoặc từ xa một cách dễ dàng khi so sánh với một màn hình hiển thị hoàn toàn trực quan Như vậy, lợi thế nổi bật của hệ thống có phản hồi lực kiểu xúc giác bao gồm tăng độ lặp lại thao tác của người điều khiển, khả năng hoạt động được mở rộng, an toàn và kiểm soát được điều kiện môi trường

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống phản hồi lực

1.1.2 Một số ứng dụng của hệ thống phản hồi lực

Trên thế giới, robot đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các khâu sản xuất phức tạp nhằm mục đích nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm giá thành, tăng tính cạnh tranh của sản phẩm,… Vì vậy, robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt, thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt Các thiết bị và hệ thống phản hồi lực kiểu xúc giác

có rất nhiều ứng dụng hữu ích trong y học, quân sự, giáo dục, giải trí,…

Khi các thiết bị haptic ra đời, người điều khiển có thể cảm nhận lực và sự rung động thông qua màn hình cảm ứng Thiết bị haptic có thể đem đến cho con người sử dụng những cảm giác khi sờ hoặc cầm nắm như cảm giác về lực, về sự rung động,

về sự mềm mại hay khô cứng của vật liệu, về mùi vị và âm thanh,…

Ở môi trường làm việc đặc biệt nguy hiểm, thiết bị haptic có thể được dùng như một thiết bị “chủ” (master device) để điều khiển từ xa một thiết bị “tớ” (slave device) Người sử dụng vận hành thiết bị “chủ” trong phòng an toàn và điều khiển một thiết bị “tớ” ở một khoảng cách rất xa Chẳng hạn, năm 1950, Mỹ đã sử dụng thiết bị haptic để lắp ráp bom hạt nhân

Hình 1.2 Sử dụng thiết bị haptic để lắp ráp bom hạt nhân

Thiết bị haptic có thể được dùng để tương tác với máy tính và điều khiển một đối tượng khác Một trong những ứng dụng nổi bật nhất là hệ thống thiết bị phẫu thuật Da Vinci Thiết bị haptic sẽ cung cấp vị trí, lực cắt và hướng chuyển động cho các thiết bị phẫu thuật làm việc Trong khi đó, bác sĩ phẫu thuật sẽ cảm nhận được lực cắt mổ trên tay giống như lực cắt mổ thực tế của thiết bị phẫu thuật Việc tiến hành phẫu thuật y tế rất quan trọng nên các bác sĩ thường được thực tập trên “môi trường ảo” trước khi thao tác trên “môi trường thật” là người bệnh “Môi trường ảo”

có thể được xây dựng dựa trên công nghệ “thực tế ảo” (virtual reality) Ở đó, các thiết bị phẫu thuật và người bệnh được mô hình hóa như thật Mô hình “thực tế ảo” trên máy tính sẽ tương tác với thiết bị haptic để nhận “lệnh” từ bác sĩ phẫu thuật Tuy là “môi trường ảo” nhưng bác sĩ phẫu thuật cũng vẫn cảm nhận được lực cắt

mổ y như thật

Hình 1.3 Thiết bị haptic ứng dụng trong phẫu thuật y học

1.2 Các nghiên cứu về hệ thống phản hồi lực

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực và một số đã được thương mại hóa Trước đây, hầu hết các cơ cấu phản hồi lực đều sử dụng các loại động cơ điện và cơ cấu khí nén để phản ánh lực và mô men tại môi trường làm việc lên người điều khiển Nhược điểm cơ bản của hệ thống phản hồi dùng động cơ điện là kết cấu cồng kềnh, thời gian đáp ứng chậm, tính cơ động không cao Trong những năm gần đây, với những phát triển mạnh mẽ của việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu thông minh đặc biệt là MRF, đã có một số nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực dùng MRF

An J và Kwon D S [1] đã thiết kế và chế tạo cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do dùng cơ cấu 5 khâu bản lề, động cơ điện và phanh MRF (hình 1.3) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, phanh MRF là một ứng viên tiềm năng trong các ứng dụng phản hồi lực

Hình 1.4 Cơ cấu phản hồi lực 2 bậc tự do dùng cơ cấu 5 khâu bản lề, động cơ điện

Scott Winter và Mourad Bouzit [3] đã nghiên cứu chế tạo găng tay phản hồi lực dùng 5 cơ cấu phanh MRF tuyến tính (hình 1.5) Kích thước cơ bản của mỗi phanh MRF là 50 x 12 x 12 (mm), lực lớn nhất có thể tạo ra là 6 (N)

Hình 1.6 Găng tay phản hồi lực dùng 5 cơ cấu phanh MRF tuyến tính

Conrad Bullion và Hakan Gurocak [4] đã nghiên cứu chế tạo găng tay phản hồi dùng 3 cơ cấu phanh MRF dạng quay để phản hồi lực lên ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa của người điều khiển (hình1.6) Kích thước cơ bản của mỗi phanh MRF

là D = 25 (mm), L = 15 (mm), lực lớn nhất có thể tạo ra là 17 (N) tại đầu các ngón tay

Hình 1.7 Găng tay phản hồi dùng 3 cơ cấu phanh MRF dạng quay

W H Li và các cộng sự [5] đã nghiên cứu khớp quay 2 bậc tự do phản hồi lực dùng phanh MRF (hình 1.7) Kích thước cơ bản của mỗi phanh là D = 156 (mm), L

= 21 (mm), mô-men tạo ra có thể thay đổi từ 0,5 (Nm) đến 10 (Nm)

Hình 1.8 Khớp quay 2 bậc tự do phản hồi lực dùng 2 phanh MRF quay

Doruk Senkal và Hakan Gurocak [6] đã nghiên cứu chế tạo cơ cấu khớp quay phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu (hình 1.8) Đường kính quả cầu phanh là D = 76,2 (mm), mô-men tạo ra có thể lên đến 3,7 (Nm) Tuy nhiên, lọai này không thể điều khiển mô-men riêng rẽ theo mỗi phương

Hình 1.9 Cơ cấu khớp quay phản hồi lực đa hướng dùng phanh MRF dạng cầu

Mặc dù trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các cơ cấu phản hồi lực dùng MRF Tuy nhiên, do còn hạn chế về mặt tiếp cận và ứng dụng công nghệ mới nên những nghiên cứu trong nước chưa được phổ biến, chỉ có một số ít

tác giả nghiên cứu về lĩnh vực này như là một sự khởi đầu cho việc ứng dụng các cơ cấu phản hồi lực dùng MRF ở Việt Nam và chủ yếu là các công trình nghiên cứu kết hợp với các chuyên gia nước ngoài như:

Nguyễn Quốc Hưng, Nguyễn Ngọc Điệp, Nguyễn Viễn Quốc, Lăng Văn

Thắng đã có bài viết “Thiết kế tối ưu cơ cấu gá động cơ có lực nhớt lớn dùng lưu chất điện từ biến” Trong nghiên cứu này, MRF được ứng dụng trong cơ cấu gá động cơ Một nghiên cứu khác cũng do nhóm tác giả trên thực hiện là “Thiết kế tối

ưu phanh lưu chất điện từ biến không dùng ống cách từ” đã tối ưu hóa kích thước

của phanh dùng MRF

Q H Nguyen, S B Choi, Y S Lee and M S Han (2013) ‘Optimal design of

a new 3D haptic gripper for telemanipulation, featuring magnetorheological fluid

brakes’ Smart Mater Struct., Vol 22 (1) Trong nghiên cứu này đã đưa ra kết cấu

tối ưu của tay kẹp 3D phản hồi lực sử dụng 2 phanh MRF xoay và 1 phanh MRF tịnh tiến để phản hồi lực Giá trị mô-men phanh và lực phanh đạt được lần lượt là 3.9 Nm và 24.41 N

Nguyen Q H and Choi S B (2011) ‘Optimal design of a hybrid MR brake for

haptic wrist application’ Proc SPIE 6928 Trong nghiên cứu này đề xuất và tối ưu

hóa một kết cấu mới của MRB kết hợp (hybrid) giữa kiểu đĩa thông thường và kiểu hình tang trống ứng dụng để phản hồi lực cho khớp cổ tay trên tay máy haptic

Nguyen Q H and Choi S B (2012) ‘Selection of magnetorheological brake types via optimal design considering maximum torque and constrained volume’

Smart Mater Struct., 21 (1) Nghiên cứu này đã khảo sát, so sánh giữa các MRB

dạng đĩa, dạng tang trống, dạng tang trống ngược, loại kết hợp (hybrid) một cuộn dây, loại kết hợp hai cuộn dây Từ đó đề xuất kết cấu tối ưu cho MRB với lực phanh

và mô-men phanh lớn nhất

Nguyen Q H and Choi S B (2010) ‘Optimal design of an automotive magnetorheological brake considering geometric dimensions and zero-field friction

heat’ Smart Mater Struct., 19 (11), 1-11 Nghiên cứu này đề xuất và tối ưu hóa lực

phanh, khối lượng phanh và nhiệt độ sinh ra do ma sát ở trạng thái ngắt điện của

một MRB dạng đĩa được sử dụng để thay thế cho một phanh thủy lực thông thường trên xe chở khách loại vừa

Phòng Cún Bẩu (2014) Thiết kế tối ưu phanh lưu chất điện từ biến xét đến các hình dạng khác nhau của vỏ phanh Luận văn (Thạc sĩ) Trường Đại học Công nghệ

TP Hồ Chí Minh Trong nghiên cứu này đề xuất và tính toán mô-men phanh cho các MRB với hình dạng khác nhau của vỏ phanh Sau đó tiến hành tối ưu hóa thiết

kế cho các MRB với các loại vỏ phanh khác nhau nhằm tìm ra giá trị kích thước tối

ưu của phanh sao cho phanh có thể tạo ra lực phanh theo yêu cầu trong khi khối lượng phanh là nhỏ nhất

1.3 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Tính toán, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình một tay gắp phản hồi lực kiểu xúc giác có 2 bậc tự do, có khả năng tạo lực kẹp lớn nhất 20 N và mô-men xoắn cực đại là 4 Nm ứng dụng cơ cấu phanh dùng lưu chất điện từ biến

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu đặc tính và nguyên lý hoạt động của lưu chất điện từ biến

- Tìm hiểu các ứng dụng của lưu chất điện từ biến trên một số cơ cấu và thiết

bị phản hồi lực trong thực tế

- Tính toán, thiết kế, mô hình hóa trên máy tính và chế tạo thử nghiệm mô hình tay gắp phản hồi lực sử dụng cơ cấu phanh dùng lưu chất điện từ biến

- Thiết kế và chế tạo mạch điện tử điều khiển tay gắp

- Thực nghiệm, tính toán và kiểm chứng kết quả

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình tay gắp phản hồi lực dùng lưu chất điện từ biến nhằm tạo ra một loại thiết bị mới được dùng để cảm nhận về lực tiếp xúc từ một môi trường ảo hoặc từ xa đến người điều khiển Khả năng tương tác cơ học với các đối tượng ảo thông qua việc thành lập các thông tin phản hồi xúc giác cho phép người điều khiển thao tác các đối tượng trong môi trường mô phỏng hoặc từ xa một cách dễ dàng khi so sánh với một màn hình hiển thị hoàn toàn trực quan Hệ số sai

lệch lực phản hồi được giảm đến mức thấp nhất dựa vào mối quan hệ giữa độ biến thiên của từ trường và độ rắn hay lỏng của dòng lưu chất điện từ biến, từ đó tạo ra một tỉ lệ truyền phù hợp Để thực hiện đề tài này cần các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Tổng hợp tài liệu và các nghiên cứu đã thực hiện ở trong và ngoài nước

- Phân tích và tính toán hệ thống dùng phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn

- Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống

- Thực nghiệm kiểm chứng kết quả

Chương 2 GIỚI THIỆU LƯU CHẤT ĐIỆN TỪ BIẾN

2.1 Nguyên lý hoạt động của MRF

Lưu chất điện từ biến (MRF) là một dạng của lưu chất thông minh, bao gồm hydrocarbon tổng hợp hoặc silicon kết hợp với thể huyền phù của các hạt từ tính Ngoài ra, các chất hoạt tính bề mặt, hạt nano, hạt nano từ hóa, hoặc những hạt được phủ từ tính được thêm vào để loại trừ sự kết tủa của các hạt có khối lượng lớn khi MRF ở trạng thái lỏng Sự kết tủa này sẽ làm ảnh hưởng lớn đến đặc tính hoạt động của MRF

Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển động tự do và chất lỏng thể hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác Tuy nhiên khi có tác dụng của từ trường ngoài, lưu chất không còn tuân theo thuộc tính Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và có khả năng chống phá vỡ liên kết Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngoài đưa vào

Hình 2.1 Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất lưu biến của MRF như mật độ, kích thước của hạt, sắp xếp hình dạng, đặc tính của dòng chất lỏng mang hạt tải điện, chất thêm vào, nhiệt độ và từ trường đặt vào,… Sự liên quan của các yếu tố này rất phức tạp và quan trọng trong việc xây dựng các phương pháp để cải thiện tính chất của dòng chất lỏng cho các ứng dụng phù hợp Để hoạt động tốt, MRF

phải có độ nhớt và độ kháng từ của các hạt thấp mà không ảnh hưởng đến từ trường bên ngoài và có thể đạt được ứng suất tối đa khi có đủ từ trường tác động

Thông thường để làm tăng ứng suất của MRF, người ta thường tăng các thành phần khối lượng của các hạt MR hoặc tăng cường độ của từ trường bên ngoài Tuy nhiên, trong tính toán thiết kế, kích thước và hình dạng của các thiết bị sử dụng MRF ảnh hưởng đáng kể đến việc tiêu hao năng lượng của thiết bị ứng dụng nó

2.2 Thành phần của MRF

MRF bao gồm chất lưu nhớt, bột sắt từ hoặc các chất có từ tính và các phụ gia khác không mang từ tính Trong thực tế, các hạt mang từ tính của MRF là: sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrit sắt, sắt cacbua, sắt cacbonyl, niken và coban Trong số này, các hạt thường được sử dụng cho MRF là sắt cacbonyl Các ứng suất tối đa có thể gây ra bởi MR chủ yếu được xác định bởi độ kháng từ thấp nhất và mức độ bão hòa cao nhất của từ tính các hạt phân tán Do đó, trong thực tế, vật liệu từ (bột sắt cacbonyl) đựơc sử dụng chính cho hầu hết các MRF Ngoài ra hợp kim Fe-Co và hợp kim Fe-Ni cũng có thể được sử dụng Ngược lại, một số các vật liệu sắt từ như Mn-Zn ferrite, Ni-Zn ferrite và ferrite gốm có từ tính bão hòa thấp và do đó được áp dụng trong các ứng dụng có ứng suất thấp Hạt MR thường có kích thước từ 0.1 đến

10 µm Trong MRF khối lựơng các hạt từ chỉ chiếm một phần nhỏ khối lượng của lưu chất và không ảnh hưởng tới lưu chất [15, 16]

Các chất lỏng được sử dụng trong MRF là: dầu silicon, dầu khoáng, dầu parafin, copolyme silicone, dầu thủy lực, dầu biến áp, dẫn xuất halogen, hóa chất lỏng hữu cơ, polyoxyalkylenes, silicon flo, glycol, nước và các loại dầu hydrocarbon tổng hợp [15, 16]

2.3 Từ tính của MRF

Các thuộc tính từ tính tĩnh của MRF rất quan trọng để thiết kế các thiết bị sử dụng MRF và thường được đặc trưng bởi tính từ trễ BH và MH Dưới ảnh hưởng của từ trường, một mô hình chuẩn cho cấu trúc được sử dụng để dự đoán đặc tính của các hạt trong MRF Mô hình này dựa trên một mạng lưới hình khối với chuỗi

vô số các dãy hạt được sắp xếp theo một đường thằng tương ứng với hướng của từ trường như biểu diễn trong hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ biến dạng profin của một chuỗi những hạt hình cầu

Các chuỗi này được xem như là sự biến đổi của khoảng cách giữa 2 hạt gần nhau trong một chuỗi và tăng cùng một tỷ lệ khi MRF biến đổi Trong thực tế, kết cấu này khá đơn giản khi các chuỗi được hình thành tạo nên liên kết nhiều khối cầu chặc chẽ với nhau và có cấu tạo dưới dạng hình trụ Dưới ứng suất, các liên kết này

có thể biến đổi và cuối cùng bị phá vỡ Mặc dù các hạt hình thành nên các kết cấu phức tạp khác nhau trong các điều kiện khác nhau, kết cấu này vẫn có thể cho thấy được ứng suất chảy diễn ra như thế nào Các phương trình chuyển động của mỗi hạt theo từ trường được xây dựng nhằm đánh giá các đặc tính của MRF Tại một từ

trường rất thấp, lực từ F ij được tính bởi công thức (2.1) khi điểm lưỡng cực tương tác từng cặp với nhau, mô-men lưỡng cực từ gây ra bởi các hạt khác và các vách xung quanh tác động đến các khối cầu cách điện hoặc không từ tính dưới ảnh hưởng của từ trường [12]

Trong đó F ij là lực từ tác dụng lên hạt i từ hạt j, μ p là độ dẫn từ của hạt, μ 0 là

độ dẫn từ chân không của hạt, r ij là vị trí từ j đến i và m là mô-men lưỡng cực từ

được gây ra bởi các hạt trong MRF [13]

3 0

(2.2) Trong đó H là từ trường đều, a là đường kính của các hạt và β được tính bởi:

Các hạt Lực

Dòng từ trường

Ở từ trường cao, độ lớn của mô-men lực từ được xem là điểm lưỡng cực từ độc lập khi từ tính của hạt đạt độ bão hòa Trong trường hợp này, mô-men lực từ được tính bởi [14]:

2.4 Các mô hình toán học của MRF

Mô hình toán học của MRF đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các thiết bị sử dụng MRF MRF thể hiện tính chất phi tuyến khi bị từ trường tác động

Từ đó đã có nhiều mô hình phi tuyến được sử dụng để mô tả ứng suất của MRF, bao gồm các mô hình d o Bingham 17, 18], mô hình biviscous [19 , mô hình d o Herschel-Bulkley [20, 21] và mô hình d o yring 22 Trong các mô hình trên thì hai mô hình được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là mô hình d o Bingham và mô hình d o Herschel-Bulkley

2.4.1 Mô hình dẻo Bingham

Mô hình toán học của chất lỏng d o Bingham có thể được biểu thị bằng công thức sau 17, 18]:

τ y là ứng suất chảy phụ thuộc vào từ trường tác dụng

η là độ nhớt sau chảy d o của MRF, độ nhớt này ít phụ thuộc vào từ trường tác

dụng

sgn là hàm dấu

Đó là một dạng chất lỏng khi tốc độ cắt thấp, ứng suất chảy đạt giá trị cực đại, ảnh hưởng của độ nhớt đàn hồi chỉ tác động đến dòng lưu chất khi mà ứng suất chảy

lớn hơn giá trị tới hạn τ y nào đó Từ đó, chất lỏng d o Bingham hoạt động như một chất lỏng Newton khi vượt qua giá trị tới hạn Mô hình d o Bingham (trên hình 2.3) thể hiện những tính chất MRF phụ thuộc vào ứng suất cắt và tốc độ cắt

Hình 2.3 Mô hình chất lỏng nhớt dẻo thường dùng để mô tả lưu chất từ biến

2.4.2 Mô hình dẻo Herschel-Bulkley

Trong thực tế, độ nhớt sau chảy d o của chất lỏng sẽ tăng (shear thickening) hoặc giảm (shear thinning) theo tốc độ trượt của các lớp lưu chất MRF, đặc biệt là khi MRF chịu tốc độ cắt cao Trong trường hợp này, mô hình d o Herschel-Bulkley cho kết quả tốt hơn Về cơ bản, mô hình d o Herschel-Bulkley được biểu thị bằng phương trình 20,21]:

Trong rất nhiều nghiên cứu, các thông số như η , K, m được xem như không

phụ thuộc vào từ trường tác dụng Nhưng thực tế, các thông số này bị ảnh hưởng

Ứng suất cắt ()

Tốc độ cắt ( )

Chất lỏng Newton

Ứng suất chảy (y)

Chất lưu đọng dày

Chất lưu trượt mỏng

D o Bingham

bởi từ trường Zubieta [23] đã đề xuất mô hình d o cho MRF căn bản dựa trên mô hình chất lỏng d o Bingham kết hợp với chất lỏng d o Herschel-Bulkley Các mô hình này sau đó được áp dụng trong một số nghiên cứu [10, 11] Trong các mô hình

trên, các thông số τ y , µ, K, m là các đại lượng phụ thuộc vào từ trường tác dụng Để

xác định các đại lượng này theo từ trường tác dụng, ubieta 23 đã đề xuất tính toán theo công thức (2 ):

2 0

trị ban đầu ứng với từ trường bằng không đến giá trị bão hòa, sy là hệ số mô-men

bão hòa của Y, B là mật độ từ trường được đặt vào

Các giá trị của Y 0 , Y 0, và ys được xác định từ kết quả thí nghiệm sử dụng phương pháp xấp xỉ đường cong

2.5 Ứng dụng của MRF

2.5.1 Phân loại các kiểu ứng dụng của MRF

Hiện nay, MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Trong các nghiên cứu, MRF thường được ứng dụng dưới ba dạng chính:

 Chế độ kiểu dòng chảy hay chế độ kiểu van (flow mode hay valve mode, hình 2.4)

 Chế độ trượt hay chế độ cắt (shear mode, hình 2.5)

 Chế độ nén (squeeze mode, hình 2.6)

Ngoài ra, đã có một số nghiên cứu kết hợp nhiều kiểu hoạt động của MRF

2.5.1.1 Kiểu dòng chảy (kiểu van)

Hình 2.4a cho thấy sơ đồ hiển thị kiểu van đã được sử dụng trong nhiều thiết

bị MR nơi dòng chảy của lưu chất từ biến giữa hai tấm hoặc trong một ống dẫn được tạo ra bởi sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống Từ trường áp dụng vuông góc với dòng chảy, được dùng cho việc thay đổi các thuộc tính lưu biến của lưu chất

từ biến để kiểm soát dòng chảy Vì vậy, sự gia tăng ứng suất chảy d o hoặc độ nhớt làm thay đổi profile vận tốc của chất lỏng trong khoảng giữa hai tấm Profile vận tốc điển hình cho chất lỏng Bingham của kiểu van được minh họa trong hình 2.4b

Ở đây, n=1/m, u 1 và u 3 là profin vận tốc của cột lưu lượng dòng vùng giáp với

vách ống hình chữ nhật, và u 2 là profin vận tốc qua tâm ứng suất trước chảy d o hoặc khoảng đầu ống  là độ dày vùng van và là một thông số quan trọng của dòng chảy

2.5.1.2 Kiểu trượt (kiểu cắt)

Kiểu hoạt động thứ hai cho các thiết bị điều khiển chất lỏng là hoạt động theo kiểu cắt đối với dòng lưu chất từ biến (MRF) nằm giữa hai mặt, qua đó một mặt trượt hoặc quay so với mặt khác, với từ trường tác dụng thẳng góc với hướng của

P 2 <P 1

P 1

Thành ống dẫn hoặc tấm phẳng

chuyển động của những mặt cắt này Hình 2.5 trình bày khái niệm hoạt động của lưu chất từ biến theo kiểu cắt

Hình 2.5 Chế độ cắt của MRF

Tính năng đặc biệt của hoạt động theo kiểu cắt là đơn giản, đáp ứng nhanh, sự chuyển đổi năng lượng giữa điện và cơ học sử dụng từ trường đơn giản giữa đầu vào và đầu ra, và khả năng điều khiển những tính năng làm cho công nghệ MRF được ứng dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng như bộ giảm xóc, phanh, bộ ly hợp và các thiết bị đánh bóng

2.5.1.3 Kiểu nén

Kiểu làm việc thứ ba của lưu chất từ biến là hoạt động theo kiểu nén thể hiện trong hình 2.6 Kiểu hoạt động này đã không được nghiên cứu rộng rãi Kiểu hoạt động này hoạt động khi có một lực tác dụng lên các tấm trong cùng một hướng của

từ trường để tăng hoặc giảm khoảng cách giữa các tấm song song để tạo ra lực nén Trong kiểu nén, lưu chất từ biến phải chịu tác động của tải trọng động (luân phiên giữa kéo và nén) hoặc tĩnh (riêng kéo hoặc nén) Khi từ trường tác động lên các hạt, chuỗi hạt được hình thành giữa các vách sẽ hóa rắn với những thay đổi nhanh chóng

về độ nhớt Các chuyển vị tham gia vào chế độ ép tương đối nhỏ (vài mm) nhưng yêu cầu lực lớn

Tấm cố định

Đường từ thông

MRF

Tấm di động

Hình 2.6 Chế độ nén của MRF

Ứng suất được tạo ra dưới dạng nén là ứng suất cao nhất trong các kiểu hoạt động khác và có thể được sử dụng để làm tắt dần rung động với biên độ thấp và lực tác dụng cao Trong các ứng dụng để tắt dần rung động của kết cấu hệ thống, sự rung động không mong muốn trong một dải tần số tương đối cao có thể bị triệt tiêu bằng cách kích hoạt các gắn kết MR Một ứng dụng thú vị theo kiểu nén là các thiết

bị kiểm tra mà người dùng có thể kiểm tra được lực cản bằng cách chạm và di chuyển một dụng cụ

2.5.2 Một số ứng dụng điển hình của MRF

2.5.2.1 Phanh, ly hợp

Phanh là một bộ phận cốt yếu trong ô tô, nếu hệ thống phanh được sử dụng kịp thời và hiệu quả thì số vụ tai nạn liên quan đến phanh sẽ được giảm thiểu hoàn toàn Khi người lái xe tạo ra một lực phanh lớn hơn lực ma sát của lốp, lúc đó bánh xe sẽ

bị hãm chặt hay bó cứng lại Do xe đang chuyển động với vận tốc cao nên các bánh

xe sẽ bị trượt trên đường Điều này làm mất khả năng điều khiển của tài xế, xe có thể trượt về phía trước một khoảng cách không xác định được hoặc có thể xảy ra những việc ngoài dự đoán

Một số ưu điểm của hệ thống phanh lưu chất điện từ biến (MRB) hiện nay so với phanh truyền thống bao gồm:

- Năng lượng vận hành thấp: chỉ cần cung cấp dòng điện tối đa 3A thì MRB

đã có thể đạt được yêu cầu phanh hoàn toàn

Tấm đếĐường từ thông

MRF

Lực tác dụng

- Thiết kế và kết cấu khá đơn giản

- Không cần hệ thống thủy lực đồng nghĩa với việc không có ống dẫn thủy lực nên sẽ không chiếm dụng khoảng không nhiều

- Không có ma sát giữa các bộ phận kim loại với nhau nên sẽ không có sự hao mòn do ma sát

- Dễ dàng điều khiển, đặc biệt chỉ cần phanh thông qua sợi dây điện

- Thời gian đáp ứng nhanh: 20 ms

Hình 2.7 mô tả cấu tạo cơ bản của một phanh MRF (MRB) Trong đó, đĩa phanh được gắn cố định trên trục cần phanh và được đặt bên trong vỏ phanh chứa MRF Cuộn dây điện từ được đặt bên trong vỏ phanh để tạo ra từ trường tác động Khi chưa cấp điện cho cuộn dây (từ trường bằng không), MRF ở thể lỏng, mô-men

do MRF và do lực ma sát tác động lên đĩa phanh rất nhỏ nên trục phanh vẫn quay tự

do Khi được cấp điện, cuộn dây sẽ tạo ra từ trường làm cho MRF hóa rắn lại tạo

ma sát với đĩa phanh và sinh ra mô-men hãm làm dừng trục phanh Giá trị mô-men hãm này có thể thay đổi được tùy theo độ lớn của cường độ dòng điện cấp cho cuộn dây điện từ

Hình 2.7 Cấu tạo cơ bản của MRB

2.5.2.2 Giảm chấn

Giảm chấn (damper) là một bộ phận không thể thiếu trong ô tô cũng như nhiều máy móc khác Nó có tính đàn hồi để bảo vệ thiết bị Hầu hết các loại giảm chấn thông thường đều có độ cứng không thay đổi Vì vậy, nếu độ nhấp nhô của mặt đường trùng với tần số dao động của thiết bị giảm chấn hoặc độ nhấp nhô mặt đường quá lớn thì hiệu quả của giảm chấn sẽ giảm đi đáng kể thậm chí là vô hiệu Việc thiết kế bộ giảm chấn có khả năng điều chỉnh độ cứng trở nên cần thiết vì

nó có thể bù đắp những khuyết điểm của bộ giảm chấn thông thường MRF đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế giảm chấn Bộ giảm chấn MRF có khả năng tùy biến độ cứng của giảm chấn phụ thuộc vào độ nhấp nhô của mặt đường làm cho dao động được dập tắt nhanh nhất, hiệu quả nhất mà người ngồi trên xe vẫn cảm thấy thoải mái

Hình 2.8 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ giảm chấn dùng MRF Trục giảm chấn được nối với một piston có cấu tạo đặc biệt bao gồm piston bên ngoài,

Cuộn dây điện từ

Vỏ phanh

Từ thông

MRFĐĩa phanhTrục phanh

piston bên trong (trên có quấn cuộn dây điện từ) và bộ phận dẫn hướng Piston này được đặt bên trong một xylanh chứa MRF Giá trị dòng điện phản hồi từ các cảm biến đo độ nhấp nhô trên mặt đường được cấp cho cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường có độ lớn khác nhau, tác động lên dòng chảy MRF giữa phần trên và phần dưới của piston từ đó tạo ra lực giảm chấn cho thiết bị tùy theo tình trạng nhấp nhô trên mặt đường Hình 2.9 thể hiện hình ảnh một bộ giảm chấn MRF thực tế

Hình 2.8 Cấu tạo cơ bản của giảm chấn sử dụng lưu chất điện từ biến

Hình 2.9 Một thiết bị giảm chấn dùng MRF

Piston tự do Buồng khí

Dẫn hướng piston Dòng chảy MRF

Vỏ Piston bên ngoài Piston bên trong

Mạch từ Cuộn dây

MRF

Trục piston

2.5.2.3 Khối gá động cơ

Cơ cấu gá động cơ (engine mount) là một bộ phận quan trọng trong xe hơi, tàu thủy,… nó dùng để gá đặt động cơ trên khung xe và đảm bảo cho động cơ và các bộ phận truyền động (động cơ – hộp số – trục cát - đăng) trên xe hoạt động ổn định Cơ cấu gá động cơ còn được sử dụng để giảm những rung động từ động cơ truyền tới khung xe nhờ đó mà người ngồi trong xe cảm thấy thoải mái hơn Nhiều kiểu cơ cấu gá động cơ đã được nghiên cứu và phát triển, trong đó một số kiểu đã được đưa vào sản xuất và cung cấp trên thị trường

Việc phân loại gá động cơ có thể dựa vào tác động của nguồn năng lượng bên ngoài, về cơ bản, cơ cấu gá động cơ có thể chia làm ba loại: loại thụ động (passive mount), chủ động (active mount) và bán chủ động (semi-active mount) Loại cơ cấu

gá động cơ thụ động thường hay sử dụng là cơ cấu gá bằng vật liệu cao su (rubber mount), loại này đã được sử dụng rộng rãi từ thập niên 30 thế kỷ trước, ưu điểm của loại này là kích thước nhỏ gọn, giá thành r và dễ bảo trì thay thế Cơ cấu gá động

cơ bằng cao su có hệ số giảm chấn thấp, hoạt động hiệu quả ở tần số hoạt động cao nhưng không hoạt động tốt trong những tần số cộng hưởng Để giải quyết những hạn chế này, môt số cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực (hydraulic mount) được phát triển và ứng dụng trong một số dòng xe Gá động cơ thủy lực sử dụng quán tính do dòng chảy của chất lỏng giữa hai khoang đàn hồi (làm bằng cao su) Độ cứng động lực của cơ cấu gá động cơ bằng thủy lực cao nhưng lại không giảm được những rung động ngoài dải cộng hưởng như cơ cấu gá bằng cao su, đặc biệt là vùng có tần

số cao

Để cải thiện hoạt động, cơ cấu gá động cơ dạng chủ động được phát triển và

đã được sử dụng trên thị trường Dạng cơ cấu này sử dụng một lực tác động từ bên ngoài và có thể dùng các thuật toán điều khiển để hệ thống gá hoạt động tốt hơn trong những trường hợp có những dao động bất thường Hệ thống gá động cơ chủ động có khả năng hoạt động tốt hơn trong một dải tần số rộng, nhưng nó không được sử dụng rộng rãi vì cơ cấu phức tạp, cần năng lượng lớn và giá thành cao Những hạn chế trên có thể được giải quyết bằng việc ứng dụng cơ cấu gá động cơ

bán chủ động Cơ cấu này thường bao gồm một cơ cấu gá bị động tích hợp với một

hệ thống tự động điều chỉnh lực giảm chấn Vì vậy, cơ cấu gá bán chủ động có thể hoạt động như mong muốn mà không cần nguồn năng lượng lớn cũng, kết cấu không quá phức tạp và giá thành vừa phải Hình 2.10 là cấu tạo của một khối gá động cơ dùng MRF

Gần đây đã có nhiều nghiên cứu về dạng gá động cơ bán chủ động sử dụng MRF Nhờ vào khả năng điều khiển được, MRF có thể hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu trong việc điều chỉnh lực giảm chấn trong cơ cấu gá

Hình 2.10 Cấu tạo cơ cấu gá động cơ

Bộ phận chịu lực Buồng

trên

Đế trên

Thân van MRF Vòng cách điện Mạch từ

Cuộn dây Thân cố định Trục đỡ

Ban đầu khi chưa có tác dụng của từ trường, dòng lưu chất chảy vào van theo ngõ vào inlet, đi ngang qua các khe và ra ngoài theo ngõ ra outlet Khi có từ trường tác động, dòng lưu chất xung quanh cuộn dây bị từ hóa và trở nên liên kết lại với nhau chỉ khi áp suất của dòng lưu chất đủ lớn để thắng lực liên kết này thì dòng lưu chất mới có thể đi qua van được và khi từ trường đủ lớn thì lưu chất xung quanh cuộn dây sẽ hóa rắn, dòng lưu chất không thể đi qua van

Phụ thuộc vào độ lớn của từ trường và cách đưa từ trường vào ta có thể điều chỉnh van theo kiểu ON/OFF hoặc theo áp suất ngõ vào

Hình 2.11 Cấu tạo van MRF

2.5.2.5 Hệ thống Haptic

Haptic là một thuật ngữ có nghĩa tương tự như hệ thống phản hồi xúc giác Nó giúp ta có thể cảm nhận như mình đang trực tiếp cầm, nắm hay làm việc gì đó mặc

dù chúng ta đang ở rất xa và chỉ quan sát trực tiếp qua camera

Ngày nay, Haptic đang được ứng dụng khá rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực y học Nhờ vào khả năng đáp ứng nhanh, MRF đã nhanh chóng được nghiên cứu và ứng dụng vào trong lĩnh vực này, cụ thể là găng tay MRF Thực chất của găng tay MRF là sự kết hợp giữa các MRB lại với nhau, nó làm cản chuyển động của các ngón tay tương ứng với lực phản hồi thực tế Từ đó người đeo găng tay có thể cảm giác được như đang trực tiếp thao tác

Nòng van

Nắp

Hình 2.12 Găng tay MRF (http://research.vancouver.wsu.edu/dr-hakan-gurocak/mr-glove)

Chương 3 THIẾT KẾ TAY GẮP 2 BẬC TỰ DO

SỬ DỤNG PHANH LƯU CHẤT ĐIỆN TỪ BIẾN

3.1 Nguyên lý hoạt động và mô hình 3D của tay gắp

Hình 3.1 Mô hình tay gắp phản hồi lực

Mô hình 3D của một tay gắp phản hồi lực được thể hiện trên hình 3.1 Kết cấu của tay gắp phản hồi lực bao gồm ba bộ phận chính: : bộ phận “chủ” giao tiếp kiểu xúc giác “haptic master”, bộ điều khiển chính (có thể là máy tính hoặc vi điều khiển) và cơ cấu chấp hành “slave” Đối với tay gắp phản hồi lực 2 bậc tự do,

“slave” là một tay máy có thể thực hiện cùng lúc hai chuyển động là kẹp và xoay

“Master” là bộ phận làm nhiệm vụ truyền thông tin điều khiển vị trí từ người vận hành đến cơ cấu chấp hành “slave” thông qua bộ điều khiển chính, đồng thời phản hồi lực kẹp và mô-men xoắn từ tay máy đến người vận hành

Trước đây, hầu hết các cơ cấu phản hồi lực đều sử dụng các loại động cơ điện

và cơ cấu khí nén để phản ánh lực và mô-men tại môi trường làm việc đến người điều khiển Nhược điểm cơ bản của các hệ thống phản hồi lực theo kiểu truyền

Bộ điều khiển chính

“Slave”

“Master”

thống là kết cấu cồng kềnh, thời gian đáp ứng chậm, tính cơ động không cao Trong những năm gần đây, với những phát triển mạnh mẽ của việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu thông minh đặc biệt là MRF, đã có một số nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực dùng MRF Các nghiên cứu này đã chỉ rõ, cơ cấu phản hồi lực dùng MRF có những ưu điểm nổi trội là kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo, dễ điều khiển, thời gian đáp ứng nhanh,…

Kết cấu phần “master” của tay gắp phản hồi lực được thể hiện trên hình 3.2 Trong đó sử dụng một MRB xoay để phản hồi mô-men Vỏ ngoài của MRB xoay được gắn chặt trên một đế cố định Trục của MRB xoay được gắn với vỏ ngoài của một MRB tịnh tiến thẳng để phản hồi lực kẹp Trên trục MRB tịnh tiến thẳng gắn tay kẹp di động có thể chuyển động tương đối và kết hợp với tay kẹp cố định tạo thành bộ phận thao tác của người vận hành Lực kẹp và mô-men xoay từ cơ cấu chấp hành có thể được phản hồi đến người điều khiển bằng cách kiểm soát dòng điện tác dụng trên các MRB theo tín hiệu nhận được từ các cảm biến đo lực và mô-men xoắn gắn trên cơ cấu chấp hành

Hình 3.2 Kết cấu tay kẹp xúc giác đề xuất

3.2 Thiết kế một số bộ phận cơ bản của tay gắp

3.2.1 Thiết kế phanh xoay dùng MRF

di động

3.2.1.1 Nguyên lý hoạt động và tính toán phanh xoay dùng MRF

Tay gắp phản hồi lực được thiết kế trong luận văn sử dụng kết cấu MRB dạng đĩa cải tiến với hai cuộn dây được đặt hai bên vỏ phanh Mô-men phanh được tính toán dựa trên mô hình chất d o Bingham của MRF

Hình 3.3a thể hiện kết cấu của MRB dạng đĩa thông thường và hình 3.3b là kết cấu của MRB đang thiết kế với hai cuộn dây được bố trí hai bên vỏ phanh

(a) Kết cấu thông thường

Cuộn dây

Vỏ phanh

Từ thông

MRF Đĩa phanh Trục

(b) Kết cấu thiết kế Hình 3.3 Kết cấu MRB xoay

Trong đó, đĩa phanh được làm từ thép từ, gắn chặt trên trục của MRB làm từ thép phi từ tính (inox) và đặt bên trong vỏ phanh làm từ thép từ Trên hình 3.3a, cuộn dây được quấn trên một ống cách từ và đặt vào bên trong vỏ phanh Còn trên hình 3.3b, hai cuộn dây được quấn trực tiếp lên hai bên vỏ phanh MRF được điền đầy vào các khe hở giữa đĩa phanh và vỏ phanh Hai phốt chặn bằng cao su được sử dụng để tránh rò rỉ MRF Khi cuộn dây được cấp điện sẽ tạo ra từ trường, MRF trong các khe hở giữa đĩa phanh và vỏ phanh sẽ hóa rắn ngay lập tức Chính sự hóa rắn này tạo ra sự ma sát có thể kiểm soát được giữa MRF hóa rắn và đĩa phanh, tạo

ra mô men hãm trên trục phanh

Giả sử rằng MRF lưu biến theo mô hình lưu chất d o Bingham và profile vận tốc trong các đường ống MRF của phanh là tuyến tính, mô-men phanh tạo ra khi có điện và mô-men ở trạng thái ngắt điện của MRB dạng đĩa được tính theo công thức (3.1) và (3.2) [24]:

Phốt chặn

R s

R l và R d là bán kính trong và ngoài của đĩa phanh

d là kích thước khe hở giữa mặt bên của đĩa và vỏ phanh

d o là kích thước khe hở giữa mặt trụ của đĩa và vỏ phanh

t d là chiều dày của đĩa

 là vận tốc góc

µ e và µ a lần lượt là độ nhớt chảy d o trung bình của MRF tại đường ống mặt

bên và đường ống mặt trụ của đĩa phanh

τye và τ ya lần lượt là ứng suất chảy d o trung bình của MRF tại đường ống mặt

bên và đường ống mặt trụ của đĩa phanh

τ y0 và µ 0 lần lượt là ứng suất chảy d o và độ nhớt của MRF trong từ trường 0

T sf là mô-men ma sát giữa trục phanh và phốt chặn

Lưu ý rằng ứng suất chảy d o ye, ya và độ nhớt chảy d o trung bình µ e , µ a là

những đặc tính lưu chất phụ thuộc vào mật độ từ thông ngang qua các đường ống MRF và có thể được tính theo công thức (3.3) [10]:

2 0

( )(2 B SY B SY)

Y tượng trưng cho các thông số lưu biến của MRF như ứng suất chảy d o (ye,

ya ) và độ nhớt chảy d o (µ e , µ a ) Giá trị của Y có xu hướng thay đổi từ giá trị ứng với từ trường bằng không Y 0 đến giá trị bảo hòa Y

sy là hệ số mô-men bão hòa của Y

Trong công thức trên, T sf là mô-men ma sát của phốt chặn tính theo inch

ounce-RPM là tốc độ quay của trục phanh (vòng/phút)

R s là đường kính trục tại chỗ lắp phốt chặn (inch)

3.2.1.2 Thiết kế tối ưu phanh xoay dùng MRF

Nội dung phần này đề cập đến việc tối ưu hóa MRB thông thường và MRB đề xuất Trong việc thiết kế MRB, ngoài mô-men phanh, vấn đề cần phải quan tâm chính là khối lượng phanh Rõ ràng là khối lượng phanh phải càng nhẹ càng tốt, từ

đó giảm được kích thước và giá thành chế tạo Vì thế mục đích của việc tối ưu hóa MRB trong phần này là nhằm tìm ra một kết cấu phanh có khối lượng nhẹ nhất nhưng vẫn đảm bảo được mô-men phanh yêu cầu

Khối lượng của MRB có thể được tính một cách tổng quát theo công thức (3.5):

b d d h h s s MR MR bob bob c c

V d , V h , V s ,V MR , V bob và V c lần lượt là thể tích của đĩa phanh, vỏ phanh, trục

phanh, MRF, ống cách từ và cuộn dây điện từ trong MRB Các thông số này là những hàm số phụ thuộc vào kích thước hình học của kết cấu MRB, chúng sẽ thay đổi sau quá trình tối ưu hóa

ρ d , ρ h , ρ s , ρ MR , ρ bob và ρ c lần lượt là khối lượng riêng của vật liệu chế tạo đĩa

phanh, vỏ phanh, trục phanh, MRF, ống cách từ và cuộn dây điện từ trong MRB

Từ những vấn đề nêu trên, bài toán tối ưu hóa cho MRB trong phần này của

luận văn có thể được tóm tắt lại như sau: Tìm giá trị tối ưu cho những thông số kích thước của MRB sao cho khối lượng phanh được xác định theo công thức (3.5) là nhỏ nhất, trong khi giá trị mô-men phanh của MRB được tính theo công thức (3.1) phải lớn hơn một giá trị yêu cầu

Để tính mô-men phanh của MRB theo công thức (3.1), đầu tiên ta phải xác định mật độ từ trường ngang qua đường ống MRF trong MRB bằng phân tích phần

tử hữu hạn (FEA) Trong luận văn này, mô hình phần tử hữu hạn dùng các cặp phần

tử đối xứng trục 2D (PLANE 13) trong phần mềm ANSYS được sử dụng để giải

mạch từ trong MRB Sau khi xác định được mật độ từ trường ngang qua các đường ống MRF, có thể tính được các thông số lưu biến của MRF trong đường ống như ứng suất chảy d o (ye, ya ) và độ nhớt chảy d o (µ e , µ a) theo công thức (3.3) Từ đó tính được mô-men phanh theo công thức (3.1) Khối lượng của MRB cũng có thể tính được dựa vào mô hình CAD trên phần mềm ANSYS Trong phần này, cần chú

ý rằng, để tìm giá trị tối ưu hóa, đầu tiên cần phải sử dụng phương pháp tối ưu đại

số gradient Chi tiết về phương pháp tối ưu dùng tích phân số trên phần mềm ANSYS đã được đề cập trong một vài nghiên cứu [11, 26]

Giả sử rằng các chi tiết mang từ tính trên MRB như vỏ phanh và đĩa phanh được chế tạo từ thép Dây điện từ dùng để quấn cuộn dây có đường kính khoảng 0.5

mm (gage size 21) có thể chịu được dòng điện có cường độ tối đa là 3 A và trong suốt quá trình tối ưu hóa, cuộn dây được cấp một dòng điện có cường độ là 2.5 A MRF dùng trong nghiên cứu này là loại MRF 132-DG do công ty Lord Corporation chế tạo Từ tính của các vật liệu chế tạo MRB được thể hiện trong bảng 3.1 và đồ thị trên hình 3.4

Bảng 3.1 Từ tính của các vật liệu chế tạo MRB

Vật liệu Độ thấm từ tương đối Mật độ từ thông bảo hòa

Thép Đồ thị B-H trên hình 3.4a 1.55 Tesla

MRF132-DG Đồ thị B-H trên hình 3.4b 1.65 Tesla

Thép phi từ tính 1

0 2 4 6 8 10 0.0

0.5 1.0 1.5

Các thông số lưu biến của MRF 132-DG được xác định từ kết quả thực nghiệm bằng phương pháp xấp xỉ đường cong và được cho như sau:

men trạng thái ngắt điện lớn làm giảm công suất của MRB như năng lượng tiêu hao lớn và phát nhiệt khi làm việc Ngoài ra, khả năng chế tạo cũng là một vấn đề cần xét đến khi tính toán khe hở MRF Vì thế trong bài toán tối ưu MRB này, kích thước khe hở không được xem là một biến thiết kế cần tối ưu hóa

Trước tiên, ta xét bài toán tối ưu hóa thiết kế MRB dạng đĩa với biên dạng vỏ phanh là hình chữ nhật (hình 3.3a) Trong trường hợp này, các kích thước hình học

chủ yếu của MRB là chiều cao cuộn dây h c , bề rộng cuộn dây w c , bán kính trong

của đĩa R l , bán kính ngoài của đĩa R d , chiều dày đĩa R d , bán kính ngoài của vỏ R, chiều dày vỏ t h và bán kính trong R c của cuộn dây trên MRB đề xuất được xem là các biến thiết kế Trong quá trình tối ưu hóa, mô hình phần tử hữu hạn dùng các cặp phần tử đối xứng trục 2D (PLANE 13) trong phần mềm ANSYS (hình 3.5) được sử dụng để giải mạch từ trong MRB Lưu ý rằng kích thước hình học của MRB được thay đổi trong suốt quá trình tối ưu hóa, do đó kích thước lưới được xác định bằng

số phần tử trên mỗi đường thẳng và số phần tử này là không đổi trong suốt quá trình tối ưu hóa

Hình 3.5 Mô hình phần tử hữu hạn để giải mạch từ trong MRB

Hình 3.6 và 3.7 lần lượt biểu diễn lời giải bài toán tối ưu của MRB dạng đĩa thông thường và MRB đề xuất với cuộn dây được quấn hai bên vỏ phanh

5 10 15 20 25 0

2 4 6 8

10

wc hc t h t d 0.1xR d 0.1xR R1

6 Momen phanh

(b) Khối lượng và mô-men phanh

(c) Mật độ từ thông của phanh khi tối ưu Hình 3.6 Thiết kế tối ưu của MRB thông thường

5 10 15 20 25 0

2 4 6 8 10

6 Momen phanh

(b) Khối lượng và mô-men phanh

(c) Mật độ từ thông của phanh khi tối ưu Hình 3.7 Thiết kế tối ưu của MRB đề xuất