Chương 1 Tổng quan về vòng bi từ chủ động trong luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Thiết kế bộ điều khiển hiện đại cho hệ thống vòng bi từ chủ động 4 bậc tự do giới thiệu đến các bạn những nội dung về lịch sử phát triển hệ thống vòng bi từ chủ động 4 bậc tự do, nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các vòng bi từ,...
Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TRẦN LỤC QUÂN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TỰ ĐỘNG HÓA CHO HỆ THỐNG VÒNG BI TỪ CHỦ ĐỘNG BẬC TỰ DO TRẦN LỤC QUÂN TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VÒNG BI TỪ CHỦ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung Các vòng bi từ sử dụng lực từ để hỗ trợ cho chuyển động máy mà khơng cần có tiếp xúc học Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ đưa số ưu điểm bật so với loại ổ đỡ thơng thường, ví dụ ổ đỡ vịng bi hay ổ đỡ chất lỏng Những ưu điểm bao gồm loại bỏ hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao đặc tính động điều chỉnh Các vịng bi từ có khả đáp ứng khả chịu tải lớn cách tối ưu hóa hệ thống thông số vật liệu, bao gồm khe hở khơng khí ổ đỡ, từ thơng bão hịa vật liệu từ, diện tích bề mặt ổ đỡ, số lượng vòng dây cực từ cơng suất khuếch đại Các vịng bi từ cho phép làm việc môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp chân khơng Một hệ thống đo lường đại tích hợp hệ thống treo từ tính khơng giám sát tức thời thơng số hệ vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ tốc độ quay mà hệ thống đo lường cịn phân tích cân bằng cách tính tốn vị trí biên độ Bộ điều khiển thay đổi thuộc tính tắt dần độ cứng ổ đỡ Điều cho phép điều khiển điều chỉnh đặc tính động ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng hệ thống làm giảm rung động lan truyền [1, 2, 6] Ứng dụng công nghệ đỡ từ trải qua phát triển rõ rệt khoảng ba thập kỷ qua Rất nhiều nghiên cứu quan trọng tiến hành bao trùm lên tất lĩnh vực liên quan đến vịng bi từ Ta kể bao gồm công nghệ cảm biến điều khiển, mơ hình hóa nhận dạng, cơng nghệ vật liệu thành phần… Cho đến nay, nhận thức trọng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tâm thiết kế vịng bi từ có bước tiến rõ rệt việc ứng dụng vòng bi từ vào ứng dụng thực tiễn vượt mong muốn ban đầu Các ứng dụng quan trọng vịng bi từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, thiết bị y tế công nghệ cao, ứng dụng cho môi trường tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, thiết bị làm việc ngồi khơng gian, hệ thống bánh đà tích trữ lượng cách ly rung động [1, 2] 1.2 Lịch sử phát triển Kể từ năm 1970s đến nay, kỹ thuật truyền động điện xoay chiều phát triển ứng dụng rộng rãi, chúng ngày thể ưu vượt trội so với truyền động điện chiều Sự lớn mạnh truyền động điện xoay chiều phủ nhận được, chúng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực từ công nghiệp sản phẩm dân dụng Tuy nhiên, số ứng dụng định, loại hình bộc lộ số nhược điểm đáng kể Do cấu tạo khí, máy điện loại sử dụng ổ đỡ cổ điển máy điện chiều Các loại ổ đỡ thông thường thiết phải bảo dưỡng định kỳ Công việc bảo dưỡng trở thành toán nan giải động làm việc số lĩnh vực ứng dụng đặc biệt có mơi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao thấp, hóa chất độc hại, phóng xạ hay chí ngồi khơng gian…, lúc địi hỏi người bảo dưỡng phải có tay nghề cao kèm theo chi phí bảo dưỡng lớn Chính xuất phát từ vấn đề thực tế này, nhiều nghiên cứu hướng đến mục tiêu thay ổ đỡ truyền thống biện pháp mà khơng địi hỏi nhu cầu bảo trì bảo dưỡng, sử dụng vịng bi từ hướng nghiên cứu thành công [1, 2] Trên thực tế, phát minh sớm liên quan vòng bi từ tích cực cấp cho Jesse Beams trường Đại học Virginia thời kỳ Chiến tranh giới thứ II [3] Sáng chế ứng dụng cho trình siêu ly tâm để phục vụ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn cho công đoạn tinh luyện sản xuất bom nguyên tử Tuy nhiên, công nghệ lúc chưa đủ lớn mạnh xuất công nghệ tiên tiến điện tử bán dẫn điều khiển máy tính, với nghiên cứu Habermann Schweitzer Sau nghiên cứu vịng bi từ thuộc chương trình nghiên cứu Máy điện quay Điều khiển công nghiệp tiếp tục Đại học Virginia Cho đến năm 1988, có vài viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu vịng bi từ Có thể kể đến gồm: phịng thí nghiệm Higuchi, ĐH Tokyo (Nhật Bản), phịng thí nghiệm Schweitzer, Học viện cơng nghệ Zurich (Thụy Sỹ), phịng thí nghiệm Allaire, ĐH Virginia (Hoa Kỳ) phịng thí nghiệm Matsumura, ĐH Kanazawa (Nhật Bản) [5] Tại hội nghị khoa học quốc tế công nghệ treo từ tính (International Symposium on Magnetic Bearings - ISMB) tổ chức vào tháng 6, 1988 Thụy Sỹ, GS Schweitzer (Học viện công nghệ Zurich), GS Allaire (ĐH Virginia) GS Okada (ĐH Ibaraki) người đặt móng cho Hiệp hội quốc tế cơng nghệ treo từ tính Tính đến năm 2008, ISMB trải qua 20 năm phát triển với 11 hội nghị khoa học quốc tế tổ chức, có số đánh giá cụ thể lịch sử phát triển AMB thực [4, 5] Kasarda ứng dụng thương mại AMB máy gia tốc AMB cho phép loại bỏ bồn chứa dầu máy nén đường ống dẫn dầu công ty truyền tải khí đốt NOVA (NGTL) Alberta, Canada Điều làm giảm nguy cháy nổ cho phép giảm giá thành bảo hiểm Thành công việc ứng dụng cơng nghệ treo từ tính khiến cho NGTL trở thành nơi dẫn đầu nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số cho treo từ tính thay cho hệ thống điều khiển tương tự công ty Magnetic Bearings Inc (MBI), Hoa Kỳ cung cấp Một công ty Pháp S2M, thành lập năm 1976, cơng ty thương mại hóa cơng nghệ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn AMB thị trường Công ty dành phần lớn công sức nghiên cứu thời gian ban đầu để quan tâm đến điều khiển rung động máy điện quay tàu ngầm nhằm làm giảm nhiễu sóng âm Tất nhiên nghiên cứu khơng cơng khai hóa bí mật qn Các ứng dụng AMB tạo dựng bước tiến vững loạt công nghệ ứng dụng khác Các bơm gia tốc phân tử tạo nên đóng góp quan trọng ngành cơng nghiệp bán dẫn Ngồi ra, cơng nghệ chân không, máy nén thu thành công định dựa hệ thống AMB Tim nhân tạo hứa hẹn bước đột phá cho ứng dụng y sinh tương lai không xa [5] Đầu năm 1987, Akira Chiba đề xuất khái niệm động không ổ đỡ Một năm sau đó, năm 1988, mơ hình động không ổ đỡ xây dựng Trường ĐH Khoa học Tokyo Mẫu phát minh cho ý tưởng động không ổ đỡ cho loại máy điện khác nhau, chẳng hạn như: cảm ứng, kích thích vĩnh cửu, từ trở đồng bộ… đệ trình sau năm [1] Từ đến nay, khái niệm phát triển cho nhiều loại máy điện khác Một số đóng góp đáng kể phát triển động dùng AMB tổng hợp bảng 1.1 [16] Kể từ năm 1990s, máy điện không ổ đỡ triển khai nghiên cứu Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc nơi khác Sau 20 năm phát triển, đánh giá khái quát triển vọng phát triển tương lai vịng bi từ nói chung AMB nói riêng nhận định H Bleuler [5] xu hướng tích hợp hệ thống khơng cịn phát triển nhanh chóng số năm trước nữa, thay vào phát triển ứng dụng Hướng phát triển cho vòng bi từ thụ động mở ứng dụng hứa hẹn phát triển nhanh chóng Ngồi ra, loại ổ đỡ tự cảm biến nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành công thành ứng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn dụng công nghiệp Các vòng bi từ tiếp tục mối quan tâm lớn nhà nghiên cứu nhà kỹ thuật Các ứng dụng phát triển mạnh nhiều lĩnh vực khác vòng 20 năm tới Bảng 1.1 Các đóng góp tiêu biểu [16] Năm Cơng trình nghiên cứu Tác giả Động khơng ổ đỡ kích thích vĩnh cửu với Bischel Quốc gia Thụy Sỹ 1991 động cực ổ đỡ cực Động từ cảm không ổ đỡ Chiba Nhật Bản Phân tích động AC khơng ổ đỡ Chiba Nhật Bản 1994 Điều khiển vector cho động cảm ứng không ổ Schoeb Thụy Sỹ đỡ 1995 1996 1997 1998 So sánh vịng bi từ kiểu kích thích vĩnh Okada Nhật Bản cửu kiểu cảm ứng Động trượt không ổ đỡ Schoeb Thụy Sỹ Động treo từ tính hướng trục Okada Nhật Bản Động treo từ tính cho thiết bị bơm máu Okada Nhật Bản Động không ổ đỡ kiểu AMB lai Okada Nhật Bản Động trượt không ổ đỡ cho bơm máu ly tâm Ueno Nhật Bản Ichikawa Nhật Bản Okada Nhật Bản 1999 Động không ổ đỡ kiểu đơn cực Động không ổ đỡ kiểu lực Lorentz 2000 Động - Ổ đỡ kết hợp kiểu khe hở hướng trục Ueno Nhật Bản hai chiều 2003 2005 Bơm tim nhân tạo dùng động không ổ đỡ Okada Nhật Bản hướng trục Không cảm biến chuyển vị cho động không ổ Okada Nhật Bản đỡ Động không ổ đỡ kiểu segment Gruber 2006 Nhận biết lực hướng kính tốc độ cho động Chiba Áo Nhật Bản khơng ổ đỡ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Năm Tác giả Quốc gia 2007 Động không ổ đỡ kiểu từ trở đồng Takemoto Nhật Bản 2009 Động không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo Asama Nhật Bản 2010 Cơng trình nghiên cứu Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động DC Grabner Áo không chổi than, không ổ đỡ 1.3 Nguyên lý làm việc phân loại vòng bi từ 1.3.1 Nguyên lý làm việc Cấu trúc điện - từ điều khiển phản hồi cho hệ thống treo từ tính trục thể hình vẽ 1.1 Kích thích cuộn dây tạo lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật Khi đối tượng giữ tự theo phương thẳng đứng Dòng điện i tạo từ thông ψ Đường từ thông thể đường nét đứt qua khe hở khơng khí hai lần theo chiều thẳng đứng Lực hấp dẫn vật thể treo lõi sắt từ hàm số dòng điện i, tỷ lệ thuận với bình phương với dịng điện i lõi sắt từ chưa bão hòa Trong điều kiện xác lập, lực hấp dẫn điều chỉnh để với tích trọng lượng vật treo m gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân lực Sensor chuyển vị đo mức độ dịch chuyển vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn Điện áp sensor tín hiệu đầu vào cho điều khiển Một vi xử lý đóng vai trị điều khiển tạo tín hiệu điều khiển từ thông tin đo lường, khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển thành dịng điện điều khiển, dòng điện sinh từ trường mạch từ, lực từ tạo Bằng cách đó, vật thể treo vị trí lơ lửng Một lượng đặt lực từ tạo để treo ổn định vật thể Lượng đặt lực tổng đại lượng lực tắt dần lực đàn hồi Lượng điều khiển lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị vật thể treo Còn lực tắt dần lực tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển vật thể treo Các đại lượng có chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ngược với chuyển vị tốc độ phản hồi âm Bộ điều khiển tạo lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện điều khiển dòng điện cách đặt điện áp lên đầu cuộn dây Hình 1.1[1]: Cấu trúc hệ thống treo từ tính Hình 1.2[1]: Chức vòng bi từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Dòng điện i chạy cuộn dây, ta giả thiết cuộn dây có số vịng dây N lực từ động (MMF) sinh Ni Với vật liệu sắt từ có độ thẩm từ cao từ thơng theo đường hình vẽ qua khe hở hai lần Độ tập trung từ thông cực đại khe hở khơng khí định độ lớn lực phần điện từ Độ tập trung từ thông lớn tạo lực từ lớn Tuy nhiên, độ tập trung từ thơng cực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TỰ ĐỢNG HÓA CHO HỆ THỐNG VỊNG BI. .. lực từ bám sát với lượng lực từ đặt Bộ điều chỉnh dòng điện điều khiển dòng điện cách đặt điện áp lên đầu cuộn dây Hình 1. 1 [1] : Cấu trúc hệ thống treo từ tính Hình 1. 2 [1] : Chức vòng bi từ chủ động: ... đỡ Chiba Nhật Bản Phân tích động AC không ổ đỡ Chiba Nhật Bản 19 94 Điều khiển vector cho động cảm ứng không ổ Schoeb Thụy Sỹ đỡ 19 95 19 96 19 97 19 98 So sánh vịng bi từ kiểu kích thích vĩnh Okada