NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM ĐIỆN TỪ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

Có 2 cách cho hệ thống đệm điện từ là chủ động và thụ động[2]: Trong một hệ thống đệm điện từ chủ động, nam châm điện cùng với bộ khuếch đại nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển.. Những

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM ĐIỆN TỪ TRONG

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

Họ và tên sinh viên : TRƯƠNG ANH TUẤN NGUYỄN THÀNH LONG Ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

Niên khóa : 2009 – 2013

Tháng 06/2013

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM ĐIỆN TỪ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

Tháng 6 năm 2013

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống đệm điện từ đã được biết đến từ thế kỷ 19 và luôn được quan tâm phát triển không ngừng nhằm phục vụ cho ứng dụng của nhân loại trong nhiều lĩnh vực công nghiệp trên thế giới Cùng với các ưu điểm vượt trội như không ma sát, đạt tốc

độ rất cao, an toàn, chính xác, không tiếng ồn, tuổi thọ cao và chi phí bảo trì thấp…

Nó đã tạo ra một bước tiến vượt bậc cho nhân loại trong các ngành công nghiệp khác nhau như ứng dụng trong xe đệm điện từ, động cơ tuyến tính, các ổ bi từ, trong tên lửa, trong các loại máy bơm, máy phân loại…vv Nhờ sớm tiếp cận phát triển để đưa đệm điện từ vào các ứng dụng thực tiễn mà một số nước trên thề giới đã có được rất nhiều thành công điển hình như Đức, Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản…Tại Việt Nam đệm điện

từ được biết đến như một lĩnh vực còn khá mới mẽ, tuy đã có nhiều nghiên cứu nhưng việc ứng dụng trong thực tiễn vẫn còn là một vấn đề khác

Do nhận thấy tài liệu về đệm điện từ vẫn còn rất ít và rời rạc, nếu có thì chủ yếu

là tài liệu tiếng nước ngoài Đề tài này tổng hợp các sách giáo khoa, các bài báo nhằm

hệ thống một cách chi tiết có thể về đệm điện từ, cụ thể là cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng quan trọng của nó Bên cạnh đó, chúng tôi cũng khảo sát tính ổn định của 1 mô hình động cơ tuyến tính hiện có và phát triển nó theo hướng điều khiển thay đổi vận tốc của mô hình động cơ tuyến tính Với kết quả đạt được của đề tài này tác giả mong muốn sẽ khắc phục phần nào vấn đề khó khăn tài liệu về đệm điện từ cho các nghiên cứu ứng dụng về sau, hy vọng nó sẽ là một tài liệu tham khảo bổ ích cho các học viên muốn tìm hiểu về sau

Đề tài này gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Kết quả khảo sát lý thuyết - tổng quan về đệm điện từ

Chương 3: Nội dung và phương pháp điều tra thực nghiệm

Chương 4: Kết quả thực nghiệm – phát triển mô hình động cơ tuyến tính

Chương 5: Kết luận và đề nghị

Trong quá trình hoàn thành khóa luận do còn hạn chế một số mặt nên không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy (cô) giáo và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học lớp đại học khoá 2009 tại Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh tôi được tiếp cận một cách có hệ thống các kiến thức khoa học tiên tiến hiện đại của ngành cơ điện tử Kết thúc khoá học tôi được giao đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng đệm điện từ trong điều khiển động cơ tuyến tính” là một đề tài về lĩnh vực khá hấp dẫn hiện nay

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Vương Thành Tiên và thầy ThS Nguyễn Tấn Phúc đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy (cô) giáo đã giảng dạy, các thầy (cô) giáo trong bộ môn cơ điện tử, cán bộ thư viện Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh

đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, gia đình đã khích lệ động viên

tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

MỤC LỤC

Trang tựa i

LỜI NÓI ĐẦU ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC HÌNH i

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu về đệm điện từ 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

Chương 2: KẾT QUẢ KHẢO SÁT LÝ THUYẾT - TỔNG QUAN VỀ ĐỆM ĐIỆN TỪ 3

2.1 Tóm tắt về đệm điện từ 3

2.2 Giới thiệu ngắn về DC EMLS (DC ElectroMagnetic Levitation System) 5

2.2.1 Hệ thống truyền động - chấp hành (Actuator) 7

2.2.2 Cảm biến vị trí (Position Sensor) 9

2.2.3 Bộ điều khiển (Controller) 10

2.2.4 Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier) 11

2.3 Ứng dụng của đệm điện từ 11

2.3.1 Ứng dụng trong tàu đệm từ 12

2.3.1.1 Giới thiệu tàu đệm từ (maglev Transrapid) 12

2.3.1.2 Nguyên lý hoat động 16

2.3.1.3 Hệ thống hỗ trợ và đường dẫn 16

2.3.1.4 Phương tiện vận chuyển hành khách và hàng hóa tối ưu nhất 18

2.3.1.5 Hệ thống lực đẩy 19

2.3.1.6 Hệ thống điều khiển 20

2.3.1.7 Đường dẫn 21

2.3.1.8 Nhận xét 24

2.3.2 Ứng dụng trong vòng bi từ 24

2.3.2.1 Khái niệm 25

2.3.2.2 Cấu tạo 25

2.3.2.3 Nguyên lý hoạt động 26

2.3.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của vòng bi từ: 28

2.3.2.5 Ứng dụng của vòng bi từ 29

2.3.3 Ứng dụng trong động cơ tuyến tính 30

2.3.3.1 Vài nét lịch sử: 30

2.3.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ tuyến tính: 31

2.3.3.3 Cấu tạo chung của động cơ tuyến tính: 32

2.3.3.4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ tuyến tính: 33

2.3.3.5 Những ứng dụng của động cơ truyền động thẳng 33

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRA THỰC NGHIỆM 35

3.1 Thời gian địa điểm làm đề tài 35

3.2 Đối tượng nghiên cứu và thiết bị hỗ trợ 35

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 35

3.2.2 Thiết bị hỗ trợ nghiên cứu 35

3.3 Phương pháp thực hiện 35

3.3.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí 35

3.3.2 Phương pháp thực hiện phần mạch điện 36

3.3.3 Phương pháp thực hiện phần chương trình 36

Chương 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 37

4.1 Thiết kế phần cơ khí 37

4.1.1 Mô hình chung 37

4.1.2 Phần sơ cấp 38

4.1.3 Phần thứ cấp (phần tĩnh) 40

4.1.4 Cảm biến 40

4.2 Thiết kế phần mạch điện 44

4.2.1 Sơ đồ chung các khối mạch 44

4.2.2 Mạch nguồn 44

4.2.3 Mạch VDK PIC16F877A 45

4.2.4 Mạch cầu H 46

4.3 Thiết kế phần chương trình 47

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 47

4.3.2 Viết chương trình điều khiển 49

4.4 Hiệu chỉnh mô hình và chạy thử 49

4.5 Chạy khảo nghiệm mô hình và kết quả nghiên cứu 49

4.5.1 Chạy khảo nghiệm mô hình 49

4.5.2 Kết quả nghiên cứu 50

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 54

5.1 KẾT LUẬN 54

5.2 ĐỀ NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ 6

Hình 2.3: Khoảng cách so với lực (đối với dòng liên tục) giữa nam châm và vật chất 7

Hình 2.4: Sơ đồ đơn giản hóa của hệ thống đệm điện từ DC 8

Hình 2.5: Sự khác nhau về hình dạng của các hệ thống treo 9

Hình 2.6: Tàu điện từ lực (EMS) và tàu đệm điện động lực (EDS) 15

Hình 2.7: Mô đun hỗ trợ và đường dẫn 17

Hình 2.8: Cấu trúc đường dẫn 17

Hình 2.9: Các toa tàu đệm từ cao tốc 18

Hình 2.10: Mô tả lực đẩy khi tàu đệm từ cao tốc hoạt động 20

Hình 2.11: Hệ thống điều khiển maglev Transrapid 21

Hình 2.12: Các hệ thống đường dẫn maglev Transrapid 22

Hình 2.13: Bộ phận chuyển hướng 23

Hình 2.15: Ổ bi từ trường 24

Hình 2.16: Cấu tạo của ổ bi từ trường 26

Hình 2.17: Cấu tạo của ổ bi từ trường trong không gian 3D 27

Hình 2.18: Mô tả quá trình hoạt động ổ bi từ trường 28

Hình 2.19: Động cơ tuyến tính 30

Hình 2.20: Nguyên lý động cơ tuyến tính 31

Hình 2.21: Cấu tạo động cơ tuyến tính 32

Hình 4.4: Cảm biến Hall AH 175-PL 40

Hình 4.5: Sơ đồ chung khối mạch 44

Hình 4.6: Mạch nguyên lý mạch nguồn 45

Hình 4.7: Mạch nguyên lý mạch VDK PIC16F877A 46

Hình 4.8: Mạch nguyên lý mạch cầu H 47

DANH MUC BẢNG, BIỂU ĐỒ

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật toa tàu 19

Bảng 4.1: Trạng thái cảm biến, cực từ cuộn dây trên suốt quãng đường di chuyển 42

Bảng 4.2: Bố trí tương đối cực từ nam châm vĩnh cửu trên phần stator 43

Bảng 4.3: Kết quả hiệu chỉnh cảm biến và cuộn dây 49

Biểu đồ 4.1: So sánh vận tốc PWM 100% 51

Biểu đồ 4.2: So sánh vận tốc PWM 80% 52

Biểu đồ 4.3: So sánh vận tốc PWM 60% 52

Chương 1:

GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu về đệm điện từ

Đệm điện từ là việc sử dụng từ trường để nâng một vật bằng kim loại bằng cách điều khiển lực trường và kiểm soát từ thông của nó Khi các cực tương đồng của hai nam châm vĩnh cửu đến gần nhau, chúng tạo ra một lực làm hai bên đẩy nhau, lực này

sẽ phát triển mạnh mẽ hơn khi khoảng cách giữa các cực giảm Khi cực không tương đồng của hai nam châm vĩnh cửu được mang gần với nhau, chúng tạo ra một lực hút, lực này phát triển mạnh mẽ hơn như khoảng cách giữa chúng giảm bớt Một hệ thống đệm điện từ thiết kế dựa trên lực hút đẩy đòi hỏi một sự cân bằng hoàn hảo giữa lực hút từ trường và trọng lượng vật treo Có 2 cách cho hệ thống đệm điện từ là chủ động

và thụ động[2]:

Trong một hệ thống đệm điện từ chủ động, nam châm điện cùng với bộ khuếch đại nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển Những bộ điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm biến nhận biết từ trường, sau đó xử lý xuất tín hiệu làm thay đổi lực từ trường để đáp ứng nhu cầu của hệ thống từ

Hệ thống đệm điện từ thụ động là không thực tế vì không có một thành phần ổn định [2] Hệ thống đệm động lực có thể được sử dụng để thêm sự ổn định cho hệ thống bay lên thụ động Sự kết hợp của bay lên thụ động và đệm điện động lực là một cách tiếp cận cho nhiều ứng dụng của hệ thống đệm điện từ

Trên thế giới đã có nhiều ứng dụng của đệm điện từ như: tàu đệm từ cao tốc, vòng bi từ, động cơ tuyến tính…Tại Việt Nam đệm điện từ được biết đến là các động

cơ tuyến tính trong các loại máy CNC, máy cắt lazer

Đệm điện từ đang là một hướng phát triển tương lai của thế giới và vẫn còn nhiều vấn đề mở cần được nghiên cứu và cải tiến [2] Ngoài ra, cơ sở lý thuyết về đệm điện từ trong nước còn rất ít, nếu có thì chủ yếu là tài liệu tiếng nước ngoài Do đó tôi

đã chọn đề tài này nhằm góp phần khắc phục phần nào về nhược điểm đó

1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chung của đề tài: Nghiên cứu lý thuyết về đệm điện từ và các ứng

dụng của đệm điện từ trong thực tiễn Đóng góp một phần cơ sở lý thuyết về đệm điện

từ và ứng dụng của nó cho các nghiên cứu về sau

Các mục tiêu cụ thể cần đạt của đề tài:

- Sưu tầm, tổng hợp, tóm tắt các lý thuyết về đệm điện từ có thể

- Tìm hiểu về các thành phần cấu tạo của một hệ thống đệm điện từ DC

EMLS

- Đã tìm hiểu chi tiết 3 ứng dụng quan trọng của đệm điện từ trong kỹ

thuật: tàu đệm từ cao tốc, vòng bi từ, động cơ tuyến tính

- Thiết kế, chạy thử, chỉnh sửa và cải tiến mô hình động cơ tuyến tính ổn

định

- Hiệu chỉnh, khảo nghiệm các mức vận tốc hoạt động của động cơ tuyến

tính trên các quãng đường dịch chuyển khác nhau

- Lấy số liệu, rút ra kết luận và đề nghị ra hướng phát triển cho mô hình Những công việc chính sẽ làm:

- Tổng hợp các tài liệu, các bài báo

- Dịch, tóm tắt viết lại cụ thể những kiến thức có liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu, tóm tắt 3 ứng dụng của đệm điện từ trong thực tế: tàu đệm từ,

ổ bi từ và động cơ tuyến tính

- Thiết kế phần cơ khí cho mô hình động cơ tuyến tính

- Thiết kế phần mạch và chương trình (code vi điều khiển)

- Chạy mô phỏng trên máy tính

- Chạy trên mô hình thực tế

- Chỉnh sửa và cải tiến mô hình cho ổn định

- Ghi chép số liệu qua các lần chạy thử

- Kết luận và đề nghị hướng phát triển

là ứng dụng trong tàu đệm từ cao tốc, ổ bi từ và trong động cơ tuyến tính

2.1 Tóm tắt về đệm điện từ

Vượt qua ảnh hưởng của trọng lực đã từng là một giấc mơ của các thế hệ nhà tư tưởng, trong đó đệm điện từ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, ứng dụng của nó

đã hiện thực hóa giấc mơ đó Việc mở rộng nghiên cứu đang được tiếp tục trong 2 thập

kỷ qua trên toàn thế giới để thiết kế ra những dạng mới nhất của hệ thống đệm điện từ

Do liên quan đến nhiều ngành học thuật, nhiều khía cạnh vẫn còn mở trong nghiên cứu

hệ thống đệm điện từ Những bộ phận chính trong một hệ thống treo điện từ [1] là: (1)

bộ phận chấp hành, (2) cảm biến, (3) bộ phận điều khiển, (4) bộ phận khuếch đại công suất [hình 2.4]

Có nhiều ứng dụng của hệ thống đệm điện từ trong công nghiệp Những ứng dụng hiện đại về bay lên của các thiết bị như vòng bi từ và xe đệm từ đã thúc đẩy các

nổ lực đổi mới nghiên cứu về mặt đệm điện từ, cạnh đó thì sự tiến bộ trong lĩnh vực điện tử điều khiển và vật liệu siêu dẫn đã góp phần tạo nên những bước tiến trong lĩnh vực đệm điện từ Tàu đệm từ trường cao tốc đang trở thành một chủ đề giao thông vận tải phổ biến toàn thế giới Hiện nay, tàu đệm từ trường cao tốc đã được sử dụng ở Đức

và Nhật Bản Một vài ứng dụng khác của đệm điện từ trong vài lĩnh vực như: việc cách ly sự rung động của máy móc dễ hư hỏng, đệm của kim loại nấu chảy trong những lò đốt cảm ứng, đệm của những kim loại trong suốt qui trình chế tạo, v.v Ngoài

ra còn có các ứng dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và y sinh học, do sự cần thiết trong sạch cho môi trường

Có nhiều loại đệm điện từ khác nhau trong nghiên cứu và phát triển đang được

nỗ lực thực hiện Dựa trên nguyên tắc cơ bản, hệ thống đệm từ trường có thể được khái quát phân loại vào hai loại [1]: đệm điện động lực và đệm điện từ dùng lực hút Trong

hệ thống điện động lực, lực đẩy được sử dụng để treo các vật thể, sự nâng lên được tạo

ra do lực hấp dẫn giữa nam châm điện và vật thể có tính sắt từ Phần lớn hệ thống đệm điện động lực sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra lực Một trong những ràng buộc hạn chế của nguyên tắc lực đẩy nam châm siêu dẫn là nó không thể cung cấp lực treo dưới một số tốc độ quan trọng Hệ thống đệm điện động lực vốn đã ổn định, nhưng ở tốc độ cao nó gặp vấn đề không còn ổn định do sự tắt dần tiêu cực Vì vậy, một vài loại giảm chấn thụ động phải được lắp đặt trong xe đệm điện động lực để duy trì sự ổn định ở tốc độ cao

Hệ thống đệm điện từ sử dụng lực hút còn đơn giản, tương đối rẻ hơn đệm điện động lực (vì nam châm siêu dẫn không được dùng ở đây mà đòi hỏi helium lỏng đông lạnh chứa trong thùng) [1] Trong đệm điện từ (hệ thống lực hút), nam châm điện được điều khiển bằng nguồn xoay chiều AC hoặc nguồn một chiều DC Mặc dù một số hệ thống thí nghiệm sử dụng nguồn điện xoay chiều đã được xây dựng, những phương pháp này được xem là phù hợp với các ứng dụng mà khối lượng vật thể bị treo là nhỏ Các hạn chế ràng buộc nghiêm trọng là dòng eddy trong nam châm điện và phần nào

sự khá phức tạp của mạch điện điều khiển điều chế sự ổn định cho nguồn AC không phù hợp cho trọng tải nặng Ngược lại, phương pháp DC về mặt kỹ thuật gọi là hệ thống đệm điện từ DC (EMLS) có cấu hình đơn giản đáng kể với yêu cầu năng lượng thuận lợi Trong DC EMLS hiện tại lực hút của các nam châm điện có thể được kiểm soát một cách hiệu quả bằng cách sử dụng một chế độ chuyển mạch bộ khuếch đại công suất

DC EMLS lần đầu tiên được thực hiện bởi Kemper vào năm 1932 Tuy nhiên,

nó đã nhận được sự quan tâm đổi mới trong những năm 1970 với sự phát triển năng lượng điện tử và các hệ thống điều khiển hiện đại Hiện nay, DC EMLS đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp Cuộc nghiên cứu sâu rộng đã được thực hiện trong hai thập niên vừa qua trên khắp thế giới để thiết kế các mẫu mới nhất của hệ

thống đệm điện từ Vẫn còn nhiều khía cạnh mở cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực DC EMLS đòi hỏi sử dụng về cơ bản những khái niệm liên ngành về điện từ học, lĩnh vực điện tử, ngành chế tạo máy, đo lường, và điều khiển [1]

2.2 Giới thiệu ngắn về DC EMLS (DC ElectroMagnetic Levitation System)

Ở phần này, sẽ trình bày khái niệm cơ bản về đệm điện từ cũng như mô tả về thành phần trong một hệ thống đệm điện từ DC đơn giản Hệ thống đệm từ trường đòi hỏi phải có hai phần sau: hệ thống chính để tạo ra từ trường và hệ thống định hình (hoặc giữ) đường sức cho từ trường

Trong trường hợp đệm điện từ DC, dòng điện trong cuộn dây sơ cấp sẽ tạo ra từ thông theo đường dẫn sắt từ Nói chung, nam châm điện được giữ cố định và vật thể có tính sắt từ buộc phải tiếp tục treo dưới nam châm [hình 2.1] Ngoài ra, phương pháp này chỉ là đảo ngược và nam châm điện là một phần của đối tượng được nâng lên dưới một đường sức từ cố định [hình 2.2]

Nguyên lý cơ bản của đệm điện từ có thể được giải thích bằng sơ đồ trong hình 2.1 Khi nam châm điện được kích thích, có một lực hút được sinh ra giữa nam châm điện và vật sắt từ [1] Lực có thể được tính bởi công thức:

Để có sự bay lên ổn định của vật thể tại mọi điểm hoạt động “A”, lực từ được tạo ra giữa nam châm và vật thể nên cân bằng chính xác với trọng lượng của phần thân Khoảng cách lực đặc trưng (cho hằng số dòng điện DC) của một EMLS được mô

tả bằng biểu đồ ở hình 2.3

Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ

Hình 2.2: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ (kiểu ngược)

Hình 2.3: Khoảng cách so với lực (đối với dòng liên tục) giữa nam châm và vật chất

Một sự thay đổi để giảm bớt sự gia tăng của khoảng cách không khí là tăng lực hút và các lực hướng lên, làm cho phần thân như gắn vào nam châm Ngược lại, tăng khe hở không khí một chút sẽ làm cho vật thể rơi ra dưới trọng lực Vì vậy, để giữ vật thể treo trong vị trí ổn định, dòng điện nam châm điện phải được kiểm soát nhanh chóng và chính xác bằng cách cảm nhận vị trí của nó Về cơ bản quy trình nâng lên này được hệ thống kiểm soát thông tin phản hồi kiểm soát ở dạng vòng lặp kín với các

hệ thống phụ khác [hình 2.4] Ở đây, các cảm biến vị trí được đặt giữa mặt cực từ và vật thể có tính sắt từ, và tín hiệu đầu ra được đưa trở lại để so sánh Đầu ra so sánh được đưa vào một bộ điều khiển tự động duy trì sự cân bằng lực bảo đảm sự ổn định vòng kín của hệ thống Bộ điều khiển gửi tín hiệu đến bộ khuếch đại, tạo ra các dòng điện cần thiết trong các cuộn dây truyền động Dòng điện trong các cuộn dây tạo ra các lực từ cần thiết [1]

Vì vậy nói chung, có bốn thành phần chính trong hệ thống đệm điện từ, đó là: (1) bộ truyền động, (2) thiết bị cảm biến, (3) bộ điều khiển, và (4) bộ khuếch đại công suất Một cái nhìn tổng thể về tất cả những thành phần này sẽ được mô tả trong những phần sau đây

từ nào gần đó [1] Các lực từ tính được sinh ra bởi các cuộn dây (giả định đơn giản hóa

mô hình tuyến tính như mô tả ở trên) được thể hiện ở hình 2.4 có thể viết như sau:

F(i,z) =

2 2

Trong đó: N= N o số vòng của cuộn dây

A là diện tích bề mặt cực từ của nam châm

i(t) là dòng điện tức thời đi qua vòng dây

z(t) là khoảng cách tức thời giữa bề mặt nam châm và vật thể sắt từ

Hình 2.4: Sơ đồ đơn giản hóa của hệ thống đệm điện từ DC

Tính toán thiết kế của nam châm điện chủ yếu được dựa trên năng lượng đầu vào tỉ lệ với lực nâng và lực nâng tỉ lệ với trọng lượng nam châm, những yếu tố này phụ thuộc vào kích thước của nam châm, khoảng cách thông lượng yêu cầu và mật độ dòng điện trong cuộn dây Cấu hình nam châm được lựa chọn dựa trên yêu cầu diện tích mặt cực và diện tích cửa sổ cần thiết để chứa các cuộn dây kích từ Có rất nhiều loại nam châm và hình dạng tấm sắt từ khác nhau, như nam châm hình chữ U và E, đường ray dạng chữ U được thể hiện trên hình 2.5 Trong thiết bị truyền động hình Ω,

có bốn nam châm điện được sử dụng Nó bao gồm mối sắt có ba chân được cán mỏng

có gắn nam châm vĩnh cửu trên bề mặt cực bên ngoài, và các cuộn dây quanh các chân bên Ngược lại với truyền động hình chữ U và E, truyền động hình Ω có thể tạo ra lực kéo theo ba hướng [1]

Dòng điện eddy trong lõi nam châm cũng như trong bộ đường ray sẽ làm giảm lực nâng và tạo ra hiện tượng trễ pha giữa trường ứng dụng và luồng khe hở không khí Cấu trúc tấm mỏng của các tấm thép sẽ làm giảm tối đa dòng eddy và làm thời gian đáp ứng của các nam châm nhanh hơn

Các biến số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính năng động của nam châm điện

là hằng số thời gian điện (L/R) và sự phân bố phi tuyến của trường điện từ (sự phân bố

từ trường) trở nên vượt trội ở các tần số cao Độ tự cảm của cuộn dây trong một số ví

dụ đơn giản (như đã nói ở trên) được mô tả ở phương trình 2.3

đó gọi là cưỡng bức điện áp [1]

Hình 2.5: Sự khác nhau về hình dạng của các hệ thống treo

2.2.2 Cảm biến vị trí (Position Sensor)

Các yêu cầu cho một thiết bị cảm biến vị trí trong ứng dụng treo từ tính là: hoạt động thuộc loại không tiếp xúc, tốc độ đường truyền của thiết bị cảm biến phải vượt hơn so với bộ khuếch đại và bộ truyền động, đầu ra của cảm biến nên duy trì sự tuyến

tính với khoảng cách trên một phạm vi rộng, thiết bị cảm biến nên có khả năng miễn nhiễm đối với sai lệch từ trường và độ phân giải nên rất cao Trong các ứng dụng treo

từ tính, có một số loại cảm biến vị trí đã dược sử dụng, hoặc có khả năng sẽ được sử dụng, như là các đầu dò siêu âm, đầu dò điện dung, đầu dò hiệu ứng Hall, đầu dò quang học, đầu dò lazer, đầu dò dòng eddy (dòng điện xoáy), đầu dò biến trở Trong số các cảm biến vị trí khác nhau, loại đầu dò dòng eddy chủ yếu được ứng dụng trong hệ thống từ treo [1]

Thiết bị cảm biến này cho thấy tần số đáp ứng tuyệt vời với sự chuyển pha rất nhỏ Độ tuyến tính trong phạm vi hoạt động của nó cũng rất tốt Tuy nhiên đầu ra của đầu đò được tìm thấy rất dễ sai lệch do sự nhiễm điện từ (EMI) từ bộ khuếch đại chuyển đổi năng lượng Nhắc lại, EMI phụ thuộc mạnh mẽ vào sự kích từ của cuộn dây nam châm, và chất lượng đầu ra của thiết bị thăm dò phụ thuộc rất nhiều vào dòng eddy trong cuộn dây [1]

2.2.3 Bộ điều khiển (Controller)

Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển là tạo ra các dòng kiểm soát để dẫn động hệ thống theo thuật toán điều khiển Vì hệ thống đệm điện từ vốn dĩ không ổn định và bản chất có tính phi tuyến mạnh mẽ, việc lựa chọn và thiết kế phù hợp của bộ điều khiển

để duy trì sự ổn định toàn bộ trong vòng lặp kín cũng như hiệu suất hoạt động là cực

kỳ quan trọng Mục tiêu quan trọng khác của việc thiết kế bộ điều khiển là để duy trì mạnh mẽ tính ổn định trong các điều kiện hoạt động khác nhau Tín hiệu điều khiển có thể là tín hiệu tượng tự (analog), tín hiệu số (digital), hoặc hỗn hợp cả 2 Với một trong hai phần cứng analog hoặc digital, thuật toán kiểm soát có thể được thực hiện Từ khảo sát, có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau đã được áp dụng cho các hệ thống từ treo Nếu thiết kế được hoàn thành bằng cách phân tích tuyến tính, sau đó sử dụng kỹ thuật điều khiển cổ điển bù ghép tầng hoặc điều khiển hồi tiếp có thể triển khai Cơ cấu bù Lead-lag (ON-OFF) được sử dụng chủ yếu trong EMLS vì nó đơn giản, dễ dàng thiết kế và mạnh mẽ [1]

Gần đây, bộ điều khiển thông minh cũng được sử dụng để duy trì sự ổn định toàn bộ vòng lặp kín cũng như sự mạnh mẽ của hệ thống Bộ điều khiển được thiết kế bằng cách sử dụng logic mờ, mạng lưới thần kinh nhân tạo và thuật toán phát sinh

2.2.4 Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier)

Hiệu quả, độ tin cậy của hoạt động trong hầu hết các trường hợp, công suất cao

tỉ lệ trọng lượng là những yêu cầu cần thiết cho các ứng dụng hệ thống đệm điện từ

Để đáp ứng những yêu cầu này, có lẽ một phần thiết yếu nhất của hệ thống là bộ khuếch đại công suất Những tiến bộ gần đây của công nghệ đệm từ loại lực hấp dẫn gần như hoàn toàn dựa vào sự phát triển của điện tử thể rắn và các thiết bị bán dẫn Các bộ khuếch đại cần phải có các đặc tính như động lực nhanh, băng thông rộng, khả năng xử lý trọng tải lớn, tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy cao và chi phí hợp lý Cả hai chế độ tuyến tính và chuyển đổi khuếch đại công suất đã được sử dụng trong hệ thống

từ treo DC

2.3 Ứng dụng của đệm điện từ

Hệ thống đệm điện từ là một phương pháp mà một đối tượng được treo trong không khí không có hỗ trợ nào khác ngoài từ trường Nó được sử dụng trong các lĩnh vực để đảo ngược hoặc chống lại lực hấp dẫn và thay đổi gia tốc bất kỳ, không ảnh hưởng lực ma sát, hiệu quả, tốc độ nhanh hơn âm thanh Các nguyên tắc bay lên nhờ

từ trường đã được biết đến trong hơn 100 năm trước, khi các nhà khoa học Mỹ Robert Goddard và Emile Bachelet lần đầu tiên trình bày về xe lửa không ma sát Mặc dù xe lửa từ tính bay lên đã là trọng tâm của nhiều sự quan tâm trên toàn thế giới, nhưng công nghệ là không giới hạn và luôn được phát triển và mở rộng Khoa học kỹ thuật về

hệ thống đệm điện từ có thể được phân loại và tóm tắt như sau [3]:

- Trong kỹ thuật giao thông vận tải (xe đệm điện từ, xe cá nhân Rapid Transit (PRT), vv)

- Kỹ thuật môi trường (các Turbines gió)

- Kỹ thuật hàng không (tàu vũ trụ, bệ phóng tên lửa, vv)

- Vũ khí kỹ thuật quân sự (tên lửa, súng, vv.)

- Kỹ thuật hạt nhân (lò ly tâm)

- Xây dựng và thiết bị xây dựng (vòng bi từ, thang máy, máy nâng hạ, quạt, máy nén khí, thiết bị làm mát, máy bơm các loại, vv)

- Kỹ thuật y sinh ( bơm tim)

- Kỹ thuật hóa học (phân tích thực phẩm và đồ uống, vv)

- Kỹ thuật điện

- Kiến trúc xây dựng và gia dụng (đèn bàn, ghế, Sofa, giường, máy giặt, vv)

- Kỹ thuật ô tô

Sau đây tôi xin trình bày 3 ứng dụng điển hình của đệm điện từ trong tàu đệm

từ, vòng bi từ và động cơ tuyến tính

2.3.1 Ứng dụng trong tàu đệm từ

2.3.1.1 Giới thiệu tàu đệm từ (maglev Transrapid)

Tàu đệm từ (tiếng Anh: Magnetic levitation transport, hay maglev Transrapid)

là một phương tiện chuyên chở được nâng lên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực điện từ Phương pháp này có thể nhanh và tiện nghi hơn các loại phương tiện công cộng sử dụng bánh xe, do giảm ma sát và loại bỏ các cấu trúc cơ khí [5]

Kỹ thuật nâng bằng lực từ không có gì trùng lặp với kỹ thuật tàu sử dụng bánh

xe và do vậy không tương thích với đường ray xe lửa truyền thống Do không sử dụng chung các cơ sở hạ tầng đang hiện có, tàu đệm từ phải được thiết kế với một hệ thống giao thông hoàn toàn mới Thuật ngữ "tàu đệm từ" không chỉ đơn thuần chỉ đến phương tiện chuyên chở mà còn bao gồm cả sự tương tác giữa tàu và đường ray, mỗi

bộ phận được thiết kế đặc biệt tương thích lẫn nhau để tạo ra lực nâng và điều khiển chính xác việc nâng lên và đẩy tới bằng lực điện từ

Bởi vì không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu và không khí Do đó, tàu đệm từ có khả năng di chuyển với vận tốc rất cao, tiêu tốn ít năng lượng và ít tiếng ồn Các hệ thống đã được đề nghị có thể hoạt động với vận tốc lên đến 650 km/h, nhanh hơn nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống Tốc độ rất cao của tàu đệm từ làm chúng có thể cạnh tranh với các đường bay dưới 1.000 kilômét Ứng dụng thương mại đầu tiên trên thế giới của tàu đệm từ cao tốc là tuyến thử nghiệm ở Thượng Hải (IOS, initial operating segment) vận chuyển hành khách trên quãng đường dài 30 km từ thành phố đến sân bay chỉ trong 7 phút 20 giây (tốc độ cao nhất là 431 km/h, tốc độ trung bình 250 km/h) Các dự án tàu đệm từ khác trên thế giới đang được nghiên cứu về tính khả thi

Hai loại tàu đệm từ được sử dụng hiện nay:

Đức và Nhật Bản là hai quốc gia đang chạy thử nghiệm loại tàu đệm từ này Mặc dù dựa trên những tính chất tương tự nhưng hai loại tàu của hai quốc gia là có sự

khác biệt rõ rệt

Ở Đức, các kĩ sư thiết kế hệ thống Electromagnetic Suspension (EMS): tạm

dịch là Cách treo bằng điện từ lực Tàu điện áp dụng hệ thống EMS này có thể “bay”

lên trên đường sắt bằng thép trong khi nam châm điện gắn liền với xe sẽ định hướng đường sắt từ bên dưới Hệ thống EMS thường được sắp xếp trên hàng loạt các cánh tay hình chữ C, phần trên cánh tay gắn liền với thân tàu, còn gờ bên dưới thì được gắn nam châm bên trong Đường sắt được đặt nằm giữa phần trên và dưới cánh tay hình chữ C

Trong hệ thống này, dưới đáy tàu sẽ được quấn các vòng thép Nam châm điện

sẽ hút trực tiếp các bánh đáp của con tàu làm cho con tàu chuyển động về phía trước đường dẫn, nó làm cho con tàu bay lên với khoảng cách 1/3 inch (1 cm) và giữ con tàu bay lên ngay cả khi nó dừng chuyển động Một nam châm khác sẽ đặt trong con tàu để giữ nó ổn định trong suốt quá trình chuyển động Đức đã khẳng định con tàu đệm từ Transrapid của họ có thể đạt tới 300 mph khi có người trên tàu

Lợi thế lớn nhất của hệ thống này là tàu có thể bay ở bất kỳ tốc độ nào, không

bị giới hạn tốc độ tối thiểu để tàu có thể bay là 30 km/h như hệ thống EDS Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết phải xây dựng một hệ thống treo riêng biệt tốc độ thấp, chi phí xây dựng toàn tuyến cũng không quá cao Vận tốc tối đa hiện tại đạt được đối với

hệ thống này là 500 km / h Hầu hết các nước áp dụng hệ thống EMS khi xây dựng tuyến maglev, dẫn đầu là Transrapid của Đức

Trong khi đó, các kĩ sư Nhật Bản đang phát triển hệ thống Electrodynamic Suspension (EDS): tạm dịch là Cách treo bằng điện động lực Sự khác nhau cơ bản của Nhật Bản so với Đức chính là họ sử dụng hệ thống làm mát bằng vật liệu siêu dẫn Loại nam châm điện có thể cung cấp điện ngay cả khi nguồn điện đã tắt Trong hệ thống EMS của Đức, sử dụng các nam châm điện tiêu chuẩn, các cuộn dây chỉ có thể dẫn điện khi nguồn điện cung cấp dòng điện chạy qua Bằng cách làm lạnh hệ thống ở nhiệt độ siêu dẫn, hệ thống của Nhật Bản sẽ rất tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, chi phí của nó thì lại không rẻ một chút nào Một sự khác biệt nữa đó là hệ thống tàu đệm

từ của Nhật Bản có thể bay lên gần 4 inch (10 cm) trên đường dẫn Tuy nhiên, một trở ngại với hệ thống EDS là con tàu phải được cuộn trên các lốp cao su cho đến khi tốc

độ cất cánh là 62 mph (100 km/h) Các kĩ sư Nhật Bản nói rằng các bánh xe là một ưu điểm nếu xảy ra hiện tượng mất điện cho toàn bộ hệ thống, trong khi đó tàu Transrapid

của Đức được trang bị với một pin điện trong các trường hợp khẩn cấp Ngoài ra, các hành khách sẽ có một thiết bị bảo vệ tránh tác hại của các từ trường do nam châm điện siêu dẫn gây ra

Trong hệ thống EDS, cả đường dẫn và tàu đều tác động lên từ trường, tàu điện

sẽ được đẩy lên trên bởi lực đẩy và lực hấp dẫn giữa những từ trường này Trong một vài cấu tạo, tàu có thể được bay lên chỉ với lực đẩy Trong giai đoạn đầu khi phát triển Linear tại đường thử nghiệm Miyazaki, một hệ thống đẩy được sử dụng để thay thế cho toàn bộ hệ thống EDS Thực tế này khiến nhiều người quan niệm rằng hệ thống EDS chỉ là một lực đẩy Điều này hoàn toàn sai, từ trường trên tàu được sản xuất bởi nam châm siêu dẫn hoặc bởi một hàng các nam châm vĩnh cửu Lực đẩy và lực hấp dẫn được tạo ra bởi một từ trường cảm ứng có trong dây hoặc một loại tấm đệm dẫn điện gắn hai bên đường ray

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống EDS này là khi tàu chạy với tốc độ thấp, dòng điện từ các cuộn cảm ứng và thông lượng từ trường tổng hợp không đủ lớn để hỗ trợ trọng lượng con tàu Với nhược điểm này, tàu bắt buộc phải trang bị bánh xe hoặc phải gắn một số thiết bị hỗ trợ khác cho đến khi tàu duy trì được trạng thái bay của mình Một nhược điểm khác là hệ thống EDS tạo ra một trường lực tự nhiên tại phía trước đường ray và phía sau nam châm nâng, nó chống lại lực của nam châm và hình thành một lực kéo Tuy nhiên, việc này chỉ xảy ra khi tàu chạy với tốc độ chậm, còn khi đạt một tốc độc nhanh nhất định thì nhược điểm này không hề tồn tại Ngoài ra, dòng điện phát sinh ra lực đẩy khó kiểm soát trong một vài trường hợp không có lực hấp dẫn, tai nạn chạm mạch đã từng xảy ra khiến một con tàu chạy thử bị cháy rụi khi đang chuẩn bị được đưa vào ga Đây là nguyên nhân khiến Nhật bỏ đi hệ thống lực đẩy duy nhất mà trở lại với hình thức lực đẩy và lực hấp dẫn

Lợi thế rất lớn của EDS so với EMS là khoảng cách từ mặt đường đến tàu rộng

hơn nhiều, khoảng 10 cm Điều này giúp cho việc “bay trên không” dễ dàng hơn và

đạt vận tốc cũng cao hơn Nhược điểm của việc phải gắn bánh xe cũng đã được người Nhật giải quyết, Bridgestone đã chế tạo loại bánh cao su áp dụng công nghệ trong việc chế tạo bánh cho các chiến đấu cơ quân sự cho Linear Shinkansen Những bánh cao su này sẽ hỗ trợ cho Linear khi tàu vận hành dưới tốc độ 150 km/h Nhật Bản là nước duy nhất hiện tại đang áp dụng khá thành công hệ thống EDS này Vận tốc 581km/h của

Linear MLX01 vào năm 2003 là minh chứng cho lợi thế về tốc độ của EDS Hệ thống EDS đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao hơn cùng với chi phí xây dựng cũng đắt hơn EMS nên hiện tại chỉ xuất hiện ở Nhật Bản Dự án này khi thương mại sẽ được chạy với tốc

độ tối đa 505 km/h với năm toa cho một chuyến

Hình 2.6: Tàu điện từ lực (EMS) và tàu đệm điện động lực (EDS)

Một công nghệ thử nghiệm đã được thiết kế, chứng minh về mặt toán học, xem xét kỹ lưỡng và cấp bằng sáng chế, nhưng chưa được xây dựng, đó là công nghệ giảm xóc nhờ lực từ MDS (Magnetodynamic suspension), trong đó sử dụng lực hút từ tính của một hệ thống nam châm vĩnh cửu lắp đặt cạnh đường ray bằng thép để nâng tàu lên và giữ nó tại chỗ Các công nghệ khác như nam châm vĩnh cửu có tính đẩy và nam châm siêu dẫn cũng đã được nghiên cứu

Đặc điểm thiết yếu của hệ thống maglev Transrapid là:

- Không ma sát, đường dẫn và công nghệ động cơ đẩy độc lập với ma sát

- Các longstator động cơ đồng bộ tuyến tính tích hợp vào đường dẫn

- Các tiêu chuẩn cao về an toàn và thoải mái trong tất cả các loại ứng dụng, từ giao thông khu vực tốc độ cao 200 - 350 km/h (125 - 220 mph) đến giao thông siêu tốc liên tỉnh ở tốc độ lên đến 500 km/h (310 mph)

- Khả năng tăng tốc cao và lực phanh tốt

- Các tuyến đường liên kết linh hoạt do đường dẫn bán kính đường cong nhỏ

- Khả năng leo dốc (10%)

- Phát thải tiếng ồn thấp ở tất cả các tốc độ

- Tiêu thụ năng lượng riêng ít và chi phí vận hành thấp

- Tiêu thụ đất tối thiểu của đường dẫn ở tất cả các phiên bản

2.3.1.2 Nguyên lý hoat động

Các cuộn dây từ hóa chạy dọc theo đường ray, được gọi là một đường dẫn, đẩy lùi các nam châm lớn trên bánh đáp của tàu, cho phép tàu bay lên từ 0,39 đến 3,93 inch (từ 1 đến 10 cm) trên đường dẫn Khi tàu bay lên, năng lượng được cung cấp cho các cuộn dây trong các đường dẫn để tạo ra một hệ thống duy nhất của từ trường kéo

và đẩy tàu dọc theo đường dẫn Dòng điện cung cấp cho các cuộn dây trong các đường dẫn liên tục luân phiên thay đổi cực của các cuộn dây từ hóa Sự thay đổi cực này gây

ra từ trường ở phía trước con tàu để kéo tàu về phía trước, trong khi từ trường phía sau tàu tăng thêm lực đẩy về phía trước cho tàu Tàu đệm từ là loại tàu di chuyển trên không khí, do đó nó giảm được lực ma sát rất nhiều so với các con tàu bình thường, lực ma sát chủ yếu ở đây là lực ma sát không khí Với thiết kế khí động lực để giảm

ma sát không khí, con tàu có thể đạt tốc độ hơn 310 mph (500 km/h), gấp hai lần con tàu siêu tốc nhanh nhất hiện nay là Amtrak, hay là một chiếc Boeing – 777 sử dụng cho các chuyến bay xa với tốc độ 562 mph (905 km/h) Với tốc độ 310 mph thì bạn có thể đi từ Paris đến Rome chỉ mất khoảng 2 giờ đồng hồ [4]

Công nghệ không tiếp xúc của hệ thống maglev Transrapid điện tử được sử dụng lần đầu tiên thay thế hạn chế về kỹ thuật của thành phần cơ khí và kinh tế của công nghệ bánh xe trên đường sắt Trong hoạt động, Transrapid yên tĩnh hơn, chi phí hiệu quả hơn, và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với bất kỳ hệ thống đường sắt khác Nó

là hầu như không thể làm hỏng và hành khách sẽ cảm thấy thoải mái ở mọi tốc độ Các đường dẫn của Transrapid tiêu thụ không gian ít hơn và có thể linh hoạt sắp xếp để phù hợp với cảnh quan hiện có [4]

Các hệ thống Transrapid Maglev là công nghệ giao thông vận tải trong tương lai Nó đã sẵn sàng cho hoạt động doanh thu cao và các đặc tính lợi thế của hệ thống công nghệ đường sắt mới "Made in Germany" đang dẫn đầu trên toàn thế giới

2.3.1.3 Hệ thống hỗ trợ và đường dẫn

Nam châm hỗ trợ điều khiển điện tử nằm trên cả hai phía dọc theo toàn bộ chiều dài của chiếc xe, kéo chiếc xe lên nhờ các gói stator sắt từ gắn kết với mặt dưới của các đường dẫn Nam châm hướng dẫn nằm trên cả hai phía dọc theo toàn bộ chiều dài của chiếc xe giữ xe theo chiều ngang trên đường chạy Hệ thống điện tử đảm bảo rằng độ hở không khí vẫn không đổi (danh nghĩa là 10 mm) Trong di chuyển,

Transrapid đòi hỏi ít năng lượng hơn so với thiết bị điều hòa không khí của nó Hệ thống bay lên được cung cấp nguồn từ pin on-board do đó độc lập với hệ thống động

cơ đẩy Những chiếc xe có khả năng lơ lửng đến một giờ mà không cần năng lượng bên ngoài Trong khi hoạt động, pin on-board được sạc bởi máy phát điện tuyến tính tích hợp vào các nam châm hỗ trợ [4]

Hình 2.7: Mô đun hỗ trợ và đường dẫn

Với độ tin cậy cao, toàn bộ hệ thống điều khiển điện tử dự phòng đảm bảo rằng chiếc xe dao động ở khoảng cách trung bình 10 mm (3/8 in) trên đường dẫn của nó Khoảng cách giữa các đỉnh của đường dẫn và mặt dưới của chiếc xe trong thời gian bay lên là 150 mm (6 in), cho phép chiếc xe Maglev di chuyển qua các đối tượng hoặc một lớp tuyết Thiết kế hỗ trợ của Transrapid, đường dẫn, hệ thống động cơ là môđun

và được trang bị hệ thống cảm biến tự động, nhờ vậy mà đảm bảo rằng sự hư hỏng của các thành phần cá nhân không gây xáo trộn hoạt động hệ thống [4]

Hình 2.8: Cấu trúc đường dẫn

2.3.1.4 Phương tiện vận chuyển hành khách và hàng hóa tối ưu nhất

Các xe Transrapid được cấu hình linh hoạt để phù hợp với các yêu cầu của các ứng dụng đa dạng nhất Các phần xe được xây dựng bằng cách sử dụng trọng lượng nhẹ, cấu trúc mô-đun và có thể được kết hợp thành đoàn tàu với 2-10 phần tùy thuộc vào ứng dụng và lưu lượng giao thông Ngoài ra vận chuyển hành khách, Transrapid cũng có thể mang theo hàng hóa có giá trị cao trong các phần hàng hóa được thiết kế đặc biệt Đây có thể được sử dụng cho các tàu hàng chuyên dụng tốc độ cao hoặc thêm tàu chuyên chở hành khách cho dịch vụ hỗn hợp [4]

Airport shuttle: 2 or more sections

Long distance: up to 10 sections

Hình 2.9: Các toa tàu đệm từ cao tốc

Các xe Transrapid có thể được thiết kế gần như độc quyền dưới khía cạnh khí động học Do đó, có ít sự nhiễu loạn không khí khi một chiếc xe Transrapid đi qua Sự phân bố áp lực dọc theo chiếc xe và tác động của nó trên các phương tiện đang tới đã được tính toán bằng cách sử dụng các phương pháp phát triển trong ngành công nghiệp hàng không và hàng không vũ trụ và xác nhận các phép đo tại các Cơ sở thử nghiệm Transrapid (TVE) Tạo sự thoải mái du lịch không bị ảnh hưởng khi một chiếc xe khác

đi qua vì thân xe là áp lực kín [4]

Chiều dài: toa cuối 27 m

toa giữa 24,8 m

Độ rộng 3,7 m

Chiều cao 4,2 m

Tốc độ hoạt động tối đa 500 km/h (310 mph)

Trọng lượng rỗng của toa hành khách 53 tấn

Trọng lượng rỗng của toa hàng hóa 54 tấn

Tải trọng hữu ích xe vận chuyển được mỗi toa 15 tấn

Chỗ ngồi hành khách tối đa: toa cuối 92

xe không tiếp xúc Sự hỗ trợ của nam châm trong các chức năng xe như phần kích thích (rotor) Hệ thống đẩy trong đường dẫn chỉ được kích hoạt trong phần nơi chiếc

xe thực sự chạy [4]

Bằng cách cung cấp dòng điện xoay chiều để cuộn dây ba pha, một dòng điện

từ di chuyển dọc theo đường dẫn được tạo ra làm di chuyển chiếc xe, kéo theo bởi nam châm hỗ trợ của nó mà hành động như các thành phần kích thích Tốc độ có thể được điều chỉnh liên tục đến tốc độ hoạt động đầy đủ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều Nếu dòng điện từ được đảo ngược lại, động cơ sẽ trở thành một máy phát điện mà hệ thống phanh xe không có bất kỳ liên lạc Năng lượng phanh có thể được đưa trở lại vào các mạng công cộng [4]

Hình 2.10: Mô tả lực đẩy khi tàu đệm từ cao tốc hoạt động

Trái ngược với đường sắt thông thường, thành phần động cơ đẩy chính của hệ thống maglev Transrapid các cuộn stato với cuộn dây động cơ ba pha không được cài đặt trong xe nhưng trong đường dẫn

2.3.1.6 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển hoạt động kiểm soát các hoạt động và đảm bảo sự an toàn của hệ thống Transrapid Các biện pháp bảo vệ chuyển động xe, vị trí của các thiết bị chuyển mạch, và tất cả các chức năng an toàn và hoạt động khác Vị trí phương tiện đi lại trên đường ray được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống on-board phát hiện

cờ vị trí kỹ thuật số được mã hóa trên đường dẫn Một hệ thống phát thanh truyền dẫn được sử dụng cho thông tin liên lạc giữa trung tâm điều khiển trung tâm và những chiếc xe

Hình 2.11: Hệ thống điều khiển maglev Transrapid

Các thiết bị đối với việc bảo vệ hoạt động nằm trong xe và tại các phòng điều khiển Một hệ thống phát sóng truyền dữ liệu có độ tin cậy cao được sử dụng để trao đổi dữ liệu điều khiển Việc bố trí cụ thể của các trạm thu phát sóng vô tuyến điện dọc theo tuyến đường để đảm bảo rằng hai ăng-ten trên xe luôn có thể nhận tín hiệu từ hai trạm thu phát sóng đài phát sóng riêng biệt ở tất cả các lần phát [4]

Các xe được giữ cân bằng an toàn bằng cách sử dụng lá cờ kỹ thuật số mã hóa được gắn trên đường dẫn và giới hạn tốc độ của xe liên tục được giám sát Việc tự động tắt sức mạnh động cơ đẩy và kích hoạt dòng từ xoáy của phanh xe là chức năng

an toàn chính của hệ thống kiểm soát hoạt động khi đã bị vượt quá giới hạn tốc độ Ngoài ra, khoảng cách giữa các xe lân cận dọc theo tuyến đường, hoạt động của các thiết bị chuyển mạch đường dẫn, thiết bị bảo vệ hành khách tại các trạm, cũng như nhiều chức năng khác và các quá trình được kiểm soát và bảo mật bởi hệ thống kiểm soát hoạt động Nhiệm vụ bổ sung của hệ thống kiểm soát hoạt động bao gồm tài liệu hướng dẫn các hoạt động của xe và cung cấp cập nhật thông tin cho cả các nhân viên điều hành và hành khách [4]

2.3.1.7 Đường dẫn

Đường dẫn Transrapid có hệ thống đẩy tích hợp vào nó và cùng với chiếc xe, chúng tạo thành một hệ thống tích hợp Để đạt được sự thoải mái tốt nhất có thể, các

yêu cầu của các đường dẫn về chế tạo, thiết bị sẵn có, và đời sống dịch vụ đặc biệt cao Cho dù dốc hoặc xây dựng lớp cao, vật liệu xây dựng bê tông hoặc thép, đường dẫn Transrapid đáp ứng tất cả các yêu cầu này Độ chính xác của các bề mặt được đảm bảo bằng cách tích hợp toàn bộ quá trình, từ bố trí ban đầu của các tuyến đường để sản xuất đến các thành phần đường dẫn để cài đặt cuối cùng và vận hành trên trang web bằng cách sử dụng các thiết bị hiện đại nhất trên máy tính và kỹ thuật Đường dẫn đơn hoặc kép của hệ thống maglev Transrapid bao gồm đường dẫn cá nhân làm bằng thép hoặc bê tông ở độ dài tiêu chuẩn từ 6,2 m - 62 m (20,3 ft - 203,4 ft) Đường dẫn có thể được lắp đặt có độ dốc hoặc thành lớp cao tùy thuộc vào tình hình địa phương Khoảng cách từ trung tâm đến trung tâm theo dõi của các đường dẫn đôi là 4,4 m cho 300 km/h hoặc 5,1 m cho 500 km/h (14,4 ft cho 185 mph hoặc 16,7 ft cho 310 mph) Các khe hở của các đường bao là 10,1 m và 11,4 m (33,1 ft và 37,4 ft), tương ứng máy đo theo dõi

là 2,8 m (9,2 ft) [4]

Hình 2.12: Các hệ thống đường dẫn maglev Transrapid

Meglev Transrapid thay đổi hệ thống theo dõi bằng cách sử dụng thiết bị chuyển mạch thép uốn cong Chúng bao gồm dầm hộp thép liên tục với chiều dài từ 78

m và 148 m (256 ft - 486 ft) được đàn hồi uốn cong bởi các phương tiện của ổ đĩa cài đặt điện và khóa an toàn ở các vị trí cuối cùng của chúng Các thiết bị chuyển mạch uốn cong có thể được thiết kế như hai chiều hoặc ba chiều, dốc hoặc ở độ cao [4]

Ở vị trí chạy thẳng, chiếc xe có thể vượt qua việc chuyển đổi mà không hạn chế tốc độ, ở vị trí cong, tốc độ được giới hạn ở 200 km/h (125 mph) (chuyển đổi tốc độ cao) hoặc 100 km/h (62 mph) (tốc độ thấp chuyển đổi)

Hình 2.13: Bộ phận chuyển hướng

Các động cơ tuyến tính longstator trong đường dẫn được chia thành các phần động cơ cá nhân mà chỉ được cung cấp nguồn điện khi xe đi qua Vị trí và cách lắp đặt các trạm biến áp phụ thuộc vào các yêu cầu về hệ thống động cơ đẩy [4]

Và bởi vì thành phần chính của hệ thống động cơ đẩy được cài đặt trong đường dẫn, Transrapid không cần phải mang toàn bộ trọng lượng động cơ cho các yêu cầu cao điểm, như là trường hợp với các loại xe khác Sự hỗ trợ và hệ thống đường dẫn được cung cấp năng lượng mà không có liên lạc thông qua các máy phát điện tuyến tính tích hợp vào các nam châm hỗ trợ Trong trường hợp mất điện, năng lượng được cung cấp từ pin on-board được tính bởi các máy phát điện tuyến tính trong khi đi [4]

Hình 2.14: Cấp nguồn trong maglev Transrapid

2.3.1.8 Nhận xét

Tóm lại, tàu được nâng lên và được đẩy về phía trước, khi đó các thanh nam châm của tàu và đường lại khác cực, nếu tiếp tục như vậy thì tàu sẽ bị hút xuống , không chuyển động được Như lúc đầu đã nói, tàu được gắn các thanh nam châm điện, nên khi đó dòng điện sẽ đổi cực để các thanh nam châm trên tàu đổi cực theo, lại cùng cực với thanh nam châm của đường ray và được nâng lên, đẩy tới Quá trình được thực hiện liên tục và rất nhanh nên tàu chạy rất êm và nhanh

Tàu chạy bằng đệm từ là một phương tiện rất hữu ích trong tương lai, nó có thể chạy với tốc độ ngang bằng tốc độ máy bay, giảm được thiệt hại do ma sát trượt gây ra trên đường ray, ngoài ra còn tránh gây ô nhiễm tiếng ồn cho môi trường xung quanh, tiết kiệm năng lượng khá nhiều, chỉ bằng khoảng 50% năng lượng của máy bay hiện nay Tuy nhiên, dự án mới chỉ mang tính thử nghiệm ở một số nước và độ an toàn chưa được đảm bảo chắc chắn, cho nên vẫn cần mất thêm thời gian để tính khả thi cao hơn Chi phí làm ra con tàu và hệ thống đường ray cũng khá tốn kém, không phải nước nào cũng có điều kiện phát triển Hi vọng trong tương lai gần, hệ thống tàu đệm từ sẽ xuất hiện trên thế giới nhiều hơn và trong đó có Việt Nam

2.3.2 Ứng dụng trong vòng bi từ

Hình 2.15: Ổ bi từ trường

Các thiết bị công nghệ như máy bơm, máy phát điện, động cơ và máy nén sử dụng đệm điện từ hổ trợ máy móc di chuyển mà không cần tiếp xúc vật lý Các vòng đệm từ được sử dụng để hổ trợ các tàu đệm từ cũng như được dùng trong máy phát điện, hệ thống lọc dầu, máy công cụ và đường ống dẫn khí tự nhiên Những vòng bi này loại bỏ nhu cầu bôi trơn vì bôi trơn có thể gây ô nhiễm hoặc các ống nhỏ bôi trơn khó khăn hơn Các vòng bi từ có xu hướng phức hợp và phù hợp với thiết kế của máy

Các bộ phận có lực ma sát thấp đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp [3]

Vòng đệm từ sử dụng từ trường để nâng các cánh quạt quay Do đó không có sự liên kết, về cơ bản không có lực ma sát hay lực kéo và cũng không có sự mài mòn Vòng bi từ đươc sử dụng trong bánh đà tích trữ năng lượng cho phép hoạt động với tốc

độ siêu cao trong chân không, trong bơm máu để nâng cao độ tin cậy và tính tương thích sinh học và trong nghiên cứu trục quay máy công cụ [3]

2.3.2.1 Khái niệm

Đệm từ là một chủ đề phổ biến hiện nay Nó ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau như tàu đệm từ, động cơ tuyến tính, vòng bi từ, bệ phóng tên lửa, v.v Dưới đây là phần giới thiệu về một trong những ứng dụng của đệm từ, đó là vòng bi

từ Vòng bi từ là một loại vòng bi sử dụng đệm từ để hổ trợ một trọng tải Vòng bi từ

hổ trợ máy móc thiết bị di chuyển mà không cần tiếp xúc vật lý Ví dụ, nó có thể nâng một trục quay và cho phép chuyển động tương đối với lực ma sát thấp và không có sự hao mòn về cơ khí Các vòng bi từ được sử dụng để hổ trợ các tàu đệm từ cũng như được dùng trong máy phát điện, hệ thống lọc dầu, máy công cụ và đường ống dẫn khí

tự nhiên [11]

2.3.2.2 Cấu tạo

Vòng bi từ bao gồm hai loại:

¾ Vòng bi hoạt động từ là vòng bi được thiết kế dựa trên nam châm điện (active magnetic bearing - AMB)

¾ Vòng bi điện động học là vòng bi được thiết kế dựa trên nam châm vĩnh cửu (electrodynamic bearings - EDB)

Dưới đây là phần cấu tạo của vòng bi hoạt động từ, vòng bi từ úng dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như các ứng dụng

Hình 2.16: Cấu tạo của ổ bi từ trường

Vòng bi hoạt động từ hoạt động dựa trên nguyên tắc đệm điện từ, bao gồm:

- Một nam châm điện

- Một bộ khuếch đại công suất cung cấp dòng cho các nam châm điện

- Một bộ điều khiển

- Một cảm biến khoảng cách để kiểm soát vị trí của rôto

- Các thiết bị điện tử liên quan để cung cấp thông tin phản hồi

Tải trọng tối đa của vòng bi hoạt động từ được giới hạn bởi mật độ từ thông bảo hòa của sắt được sử dụng Tải có thể tăng lên đáng kể thông qua việc tối ưu hóa thiết

kế và sử dụng coban trên vật liệu kim loại màu Vòng bi nam châm vĩnh cửu bao gồm các mảng hình trụ của nam châm vĩnh cửu Vòng bi nam châm vĩnh cửu nhỏ gọn và không tốn kém nhưng nó chỉ có khoảng một nửa khả năng tải của vòng bi nam châm điện Nhờ chi phí bổ sung, các mảng Halbach có thể được sử dụng trong các vòng bi nam châm vĩnh cửu để tăng khả năng lên thêm 40% nữa [11]

2.3.2.3 Nguyên lý hoạt động

Vòng đệm từ được thiết kế bằng cách sử dụng nam châm điện và nam châm vĩnh cửu Vòng bi dựa trên nam châm điện được gọi là vòng bi hoạt động từ Dùng cuộn coil điều khiển thông tin phản hồi nhằm tạo sự nâng lên ổn định Kiểm soát thông

tin phản hồi này cho phép chủ động chống rung của rôto, hỗ trợ các thiết bị cảm biến

và hệ thống điều khiển điện từ [10]

Ta thấy các nam châm ở đây là nam châm điện từng đôi một đối diện nhau, cùng đẩy rôto Nếu hai lực đẩy đối diện nhau không cân bằng rôto sẽ bị lệch về một bên, hai khe hở ở hai bên đối diện bị chênh lệch, cảm biến khe hở sẽ làm việc điều chỉnh dòng ở các nam châm điện sao cho chúng đẩy rôto cân bằng trở lại, tức là hai khe hở đối diện như nhau Như vậy rôto cân bằng ổn định không va chạm với ổ trục là nhờ có hệ tự động điều chỉnh [10]

Các nguyên tắc cơ bản của vòng bi từ bắt đầu với nam châm điện cố định, có vị trí xung quanh các roto và nằm trong các stato Thông thường hai vòng bi xuyên tâm (Radial Bearings) hỗ trợ và cố định vị trí trục theo hướng bên (hướng tâm) và một vòng bi lực đẩy (Thrust Bearing) hỗ trợ và cố định vị trí trục theo hướng dọc (hướng trục) Một trục được hỗ trợ hoàn toàn bởi vòng bi từ được gọi là sự sắp xếp năm trục Các vòng bi phản ứng với chuyển động ,được phát hiện bởi cảm biến vị trí, dọc theo

ba trục tịnh tiến và hai trục góc[10]

Hình 2.17: Cấu tạo của ổ bi từ trường trong không gian 3D

Vòng bi từ được kiểm soát bằng hệ thống điều khiển vòng bi từ Đặc điểm của vòng bi từ ngày càng thay đổi và thay đổi nhiều nhất đó là độ chính xác của hệ thống điều khiển vòng bi từ Vị trí của trục luôn tập trung nằm trong stato của nó, vì vậy việc liên lạc là không thể xảy ra Việc điều khiển phải thông qua mộ hệ thống thông tin phản hồi vòng kín bao gồm: cảm biến vi trí, điều khiển kỹ thuật số vả bộ khuếch đại công suất Cảm biến vị trí trên stato sẽ phát hiện những chuyển vị của trục, sau đó sẽ truyền đi một tính hiệu Một bộ điều khiển kỹ thuật số sẽ nhận tín hiệu của cảm biến vị trí và xử lý chúng, tính toán làm thế nào để dòng điện phân phối để giữ cho trục tại vị trí trọng tâm, sau đó truyền tính hiệu đã xử lý đến bộ khuếch đại công suất Tại đây, bộ khuếch đại công suất sẽ điều chỉnh dòng điện theo như sự tính toán của điều khiển kỹ thuật số Một thuật toán điều khiển xác định những tính toán của bộ điều khiển sẽ thực hiện Chu kỳ điều khiển “cảm biến - điều khiển - khuếch đại” được lặp đi lặp lại 15000 lần mỗi giây[10]

Hình 2.18: Mô tả quá trình hoạt động ổ bi từ trường

2.3.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của vòng bi từ:

Ưu điểm

- Làm việc không cần dầu bôi trơn

- Hạn chế hao mòn về cơ khí và bảo trì ít hơn, thậm chí là không cần nếu như hệ thống vẫn làm việc tốt