2.1. Mụ hỡnh toỏn học của bộ treo từ tớnh
Ổ từ đỡ tƣơng tự nhƣ một động cơ điện, tuy nhiờn thay vỡ tạo ra momen xoắn để quay rụ-to, nú tạo ra một lực để treo ngừng trục trong lũng ổ. Khoảng cỏch giữa ngừng trục và lút ổ thụng thƣờng khoảng 0,5 ‚ 2 mm.
Ổ từ bị động (Passive Magnetic Bearing – PMB) làm việc dựa trờn nguyờn lý lực đẩy của 2 nam chõm vĩnh cửu, do vậy khụng cần thiết sử dụng nguồn cấp điện. Nam chõm vĩnh cửu đũi hỏi phải cú độ từ dƣ và độ khỏng từ lớn, nờn thƣờng phải sử dụng cỏc vật liệu từ dị hƣớng .
Ổ từ tớch cực (Active Magnetic Bearing – AMB) làm việc dựa trờn nguyờn tắc tạo lực hỳt. Cỏc sensơ vị trớ của trục theo 5 hƣớng (4 theo phƣơng hƣớng kớnh, một theo phƣơng dọc trục) đƣợc sử dụng để tạo tớn hiệu phản hồi về bộ điều khiển.
2.1.1 Cấu trỳc cơ điện và nguyờn lý hoạt động của ổ từ
Nguyờn tắc làm viợ̀c của ụ̉ đỡ tƣ̀ tƣơng tƣ̣ nhƣ mụ̣t nam chõm điợ̀n . Nghĩa là, cú thờ̉ tạo nờn chuyờ̉n dịch cơ học theo mụ̣t phƣơng nào đó bằng các lƣ̣c (hỳt hoặc đõ̉y) điợ̀n tƣ̀. Do vọ̃y, cú thể chọn cỏc biến độc lập trong hệ thống ổ đỡ từ là dũng điện (i) chạy trong dõy quấn và chuyển vị (x) của vật thể.
Hỡnh 2.1 trỡnh bày về một cấu trỳc cơ bản của một nam chõm điện với một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống treo theo một phƣơng sử dụng năng lƣợng từ. Cuộn dõy đƣợc cấp điện gõy ra một lực từ làm treo vật thể bằng sắt hỡnh chữ nhật. Vật thể chỉ tự do theo phƣơng đứng. Dũng điện i sinh ra một từ thụng ψ. Đƣờng sức từ đƣợc biểu diễn bằng những đƣờng nột đứt và đi qua khe hở khụng khớ hai lần theo phƣơng đứng. Lực hỳt giữa vật thể bị treo và lừi từ hỡnh chữ C là một hàm của dũng điện i, lực này tỉ lệ với bỡnh phƣơng của dũng điện i nếu nhƣ lừi từ khụng bị bóo hoà. Dƣới những trạng thỏi ổn định, lực hỳt sinh ra đƣợc điều chỉnh đỳng bằng tớch số mga nhằm thoả món điều kiện cõn bằng lực với:
+ m là khối lƣợng vật thể + ga là gia tốc trọng trƣờng .
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
ỏp đầu ra của sensor chớnh là đầu vào của bộ điều khiển. Lực từ cần thiết đƣợc tạo ra để treo đối tƣợng một cỏch cõn bằng. Lực cần thiết bằng tổng của lực lũ xo và lực cản.
+ Lực cản tỉ lệ với vận tốc của vật thể treo.
+ Lực lũ xo tỉ lệ với độ dịch chuyển của vật thể treo.
Những đại lƣợng điều khiển này cú chiều ngƣợc lại so với chiều của vận tốc và chuyển vị cho phản hồi õm. Từ đú bộ điều khiển sinh ra một dũng điều khiển sao cho lực sinh ra phự hợp với yờu cầu.
Bộ chỉnh lƣu sẽ điều chỉnh dũng điện i kớch thớch vào một cuộn dõy mắc nối tiếp. Giả sử rằng số vũng của cuộn dõy là N, do đú cú một lực từ động (lực sinh ra thụng lƣợng trong mạch từ) Ni đƣợc sinh ra. Vỡ độ dẫn từ của vật liệu sắt từ là cao nờn từ thụng phụ thuộc vào đƣờng sức đƣợc biểu diễn bằng đƣờng nột đứt trờn hỡnh vẽ. Từ thụng đi qua khe hở khụng khớ hai lần, nhƣng chỉ cú duy nhất một đƣờng sức từ thụng đƣợc thể hiện trờn hỡnh vẽ, tuy nhiờn từ thụng đƣợc phõn bố trong khắp khe hở khụng khớ. Mật độ từ thụng lớn nhất trong khe hở khụng khớ quyết định khả
Nam chõm điện Vật liệu sắt từ x Sensor khoảng cỏch i v Bộ điều khiển ψ Bộ chỉnh lƣu g mga Hỡnh 2.1 - Hệ thống từ treo
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
nhiờn, mật độ từ thụng lớn nhất cho cỏc loại thộp silic thụng dụng đƣợc giới hạn từ 1.7 đến 2T . Mật độ từ thụng cú ảnh hƣởng quan trọng đến việc giới hạn kớch thƣớc khe hở khụng khớ sao cho nhỏ hơn chiều dài cho phộp để giảm cƣờng độ dũng điện. Việc xỏc lập chiều dài khe hở khụng khớ nhỏ nhất cú thể đƣợc cũng đúng vai trũ quan trọng, điều này sẽ làm giảm dũng điện và tổn thất.
2.1.2 . Cỏc mối quan hệ cơ bản
Hỡnh 2.2 mụ tả một nam chõm điện đƣợc sử dụng để treo một lừi từ hỡnh chữ I bằng một lực từ. Lừi từ hỡnh chữ C của nam chõm điện cú chiều dầy l và chiều rộng w. Đƣờng sức từ thụng đƣợc biểu diễn bằng nột đứt. Cỏc chiều dài của đƣờng từ thụng trong lừi từ hỡnh chữ C là l1 và l2. Chiều dài của đƣờng sức từ thụng trong lừi từ hỡnh chữ I là l3.
Cuộn dõy cú N vũng. Dũng điện tức thời là i, bởi vậy lực từ động tƣơng ứng là Ni. Kớch thƣớc của khe hở khụng khớ ở vị trớ danh định là g. Tọa độ của lừi từ hỡnh chữ I là x do đú chiều dài khe hở khụng khớ là (g-x). Từ trở của mạch từ đƣợc xỏc định là: v g – x x l l3 i l2 l1 w
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn R = S l mt fP (2.1)
Trong đú: lfp - chiều dài của đƣờng sức