3.2.1.1. Môi trường bài toán
Trong phần mềm Flux, với các ứng dụng khác nhau sẽ cần các môi trường khác nhau. Phần mềm Flux sẽ hỗ trợ xử lý 3 bài toán từ trường điển hình trong mô hình 3D là:
Từtrường tĩnh.
Từtrường động.
Từtrường với trạng thái ổn định.
Đối với bài toán từtrường tĩnh, khi bài toán các vật chỉ xét ở một dòng điện cốđịnh. Từtrường với trạng thái ổn định thì xét với một dòng điện xoay chiều dao
động trong một khoảng. Còn bài toán từtrường động có xét đến các phần chuyển
động tương đối với nhau: tịnh tiến, chuyển động quay, chuyển động tự do, áp suất bề mặt. Do đặc tính dầu từtrường chuyển pha: từ pha lỏng sang pha bán rắn nên việc hỗ trợ tính của phần mềm chưa đáp ứng được yêu cầu. Bài toán phân tích từ trường sẽđược thực hiện trên môi trường từtrường tĩnh với từng thời điểm dòng
điện thay đổi khác nhau.
Đểxác định vùng phân tích từ trường thì có những hộp với các kích thước khác nhau đểxác định: hình hộp chữ nhật, hình trụ. Kích thước này thì tùy thuộc vào bài toán, nếu xét đến vùng ảnh hưởng bên ngoài rộng thì có thể làm lớn, còn
không thì để kích thước bao lớn hơn các phần mình xét khoảng từ 20-50 mm. Ở
bài toán này là mô hình hình trụ theo chiều Z với đường kính là 110 mm và chiều cao 110 mm.
3.2.1.2. Chia lưới mô hình
Đối với mô hình chia lưới này thì cần chú ý tới kích thước lưới đểđảm bảo
tương tác từtrường giữa các bề mặt khác nhau.
Bảng 3.1. Số phần tửchia lưới. Số phần tử Kiểu trống Kiểu sáu cực và một lớp dầu Kiểu sáu cực và hai lớp dầu Sốlượng nút 73686 731339 719215 Sốlượng phần tửđường thẳng 2304 53080 56534 Sốlượng phần từ bề mặt 76000 755646 779047 Sốlượng phần từ thể tích 432074 4248471 4178010 Chất lượng phần tử
Sốlượng phần từkhông được đánh giá 0 % 0 % 0 % Số phần từđạt chất lượng tốt 97,78 % 96,48 % 96.01 % Số phần tửđạt chất lượng trung bình 2,21 % 3,51 % 3.88 % Số phần từđạt chất lượng thấp 0.01 % 0,1 % 3.1 %
35
Kích thước lưới sẽđược tùy chỉnh vào mức độ tiếp xúc, khi cần lưới mau hơn
thì chỉnh về gần 0, còn gần 1 là lưới thưa. Trong bài toán này thì kích thước lưới
được lấy là 0.5 ở mức độ trung bình. Sốlượng nút và phần tử của hai mô hình sáu cực và một hoặc hai lớp dầu thì nhiều hơn đáng kể so với mô hình kiểu trống vì do kết cấu đơn giản và ít chi tiết hơn.
Hình 3.2. Chia lưới mô hình: a) Phanh kiểu trống 1 lớp dầu; b) Phanh từ trường sáu cực và 1 lớpdầu; c) Phanh từ trường sáu cực và 2 lớp dầu.
3.2.1.3. Vật liệu
a) Thép AISI 1018
Với những đặc tính của dầu từtrường đã được trình bày ởChương 2 thì trong
các loại dầu hiện hành trên thịtrường thì lựa chọn dầu từtrường MRF-140CG với úng suất chảy cao (với 59 kPa ứng với cường độ từ trường 200 kA/m). Vật liệu dẫn từkhác để gia công chi tiết là thép từ tính AISI 1018. Và vật liệu đểngăn cách
giữa hai cuộn dây nhiễm từ với nhau là nhôm để gia công các thanh hình chữ T.
36
Khi dòng điện càng lớn thì càng có nhiều nam châm được định hướng cùng nhau. Dòng trong cuộn dây tăng đến một lúc nào đó thì tất cảnam châm này đều
được định hướng giống nhau nên từ thông không thể nào lớn hơn được nữa. Khi
đó người ta coi mạch từđã bị bão hòa. Quan sát Hình 3.3 vẽ trên, cảm ứng từ B sẽ
bịbão hòa khi đạt đến khoảng 2.4 T, đây cũng là chỉ số khá cao trong các vật liệu thép từ. Cùng với đó thì một số khác rất quan trọng, đó là độ từ thẩm, vật liệu thép
AISI 1018 có độ từ thẩm tương đối ban đầu vào khoảng 3200. b) Nhôm
Các thanh nhôm chữT được sử dụng làm chắn giữa hai khe của hai cuộn dây cạnh nhau. Với những đặc tính cơ bản của như sau: nhôm là vật liệu không dẫn từ nên độ từ thẩm ban đầu là hằng sốkhông đổi là 1. Khối lượng riêng rơi vào khoảng 2689 kg/m3.
3.2.1.4. Cuộn dây
Cuộn dây đồng có vai trò nhận nguồn điện và tạo ra từtrường để làm cho các hạt sắt từ bên trong dầu từtrường. Ở bài toán này thì với 3 kiểu phanh từtrường
khác nhau nhưng sẽ quấn số vòng dây và cấp dòng điện như nhau. Số vòng dây quân ở ba mô hình là 480 vòng dây. Ở kiểu phanh sáu cực từ thì mỗi cực sẽ quấn tối đa 80 vòng. Dây đồng có khối lượng riêng là 8933 kg/m3 và điện trở ở khoảng 1,74e-8 Ω.m. Dòng điện sẽ cấp theo một chiều nhất định đối với phanh kiểu trống và hai cuộn dây cạnh nhau sẽđược cấp dòng điện ngược chiều nhau đối với phanh sáu cực từ.
37
3.2.1.5. Điều kiện giải bài toán
Thông thường đối với các bài toán phân tích từ trường của phanh thì dòng
điện xét rơi vào khoảng 0-3A []. Trong nghiên cứu này, dòng điện được sử dụng từ 0-3A và cách nhau mỗi bước là 0,5A. Khi đó có thểđưa ra đường cong mối liên hệ giữa dòng điện được tinh chỉnh hơn. Đối với kiểu trống thì cấp dòng điện theo một chiều nhất định. Còn đối với phanh sáu cực và một hoặc hai lớp dầu từtrường,
để tăng cường cường độ từtrường thì hai cuộn dây cạnh nhau sẽ được cấp dòng
điện ngược chiều nhau.
Hình 3.5. Đặt điều kiện giải bài toán từ trường tĩnh.
Kết quả
3.2.2.1. Cường độ từtrường H
Cường độ từtrường là một trong những thông số quan trọng để chuyển đổi
ứng suất chảy, từđó có thể tính toán mômen phanh. Hình 3.6 cho thấy cường độ
từ tính đặc biệt của tất cả các bộ phận của ba kiểu phanh từ trường: kiểu trống, kiểu sáu cực và một lớp, kiểu sáu cực và hai lớp dầu. Quan sát hình ta thấy thì
cường độ từ trường của ba kiểu phanh đạt giá trị lớn nhất lần lượt là: 46,6 kA/m, 86,9 kA/m và 123,7 kA/m.
Bảng 3.2. Cường độ từ trường H và vị trí tập trung của ba kiểu phanh.
Kiểu phanh Giá trị cường độ từ trường lớn nhất (kA/m) Vị trí tập trung nhiều nhất Kiểu trống 46,6 Ở đầu vào và đầu ra của cuộn dây trên lớp dầu Phanh sáu cực và một lớp dầu 86,9 Đầu và cuối của mỗi cực trên lớp dầu
Phanh sáu cực và hai lớp dầu
123,7 Đầu và cuối của mỗi cực trên lớp dầu
38
Đối với kiểu phanh trống thì từ thông đi lòng dọc theo bề mặt của lớp nên
cường độ từtrường sinh ra sẽ thấp nhất và tập trung chủ yếu ở vị trí vào và ra của cuộn dây. Điều này cũng không hỗ trợ nhiều để tạo các đường từ thông vuông góc
làm định hướng các hạt sắt từ bên trong của lớp dầu. Khi kết cấu được thiết kế là sáu cực và một hoặc hai lớp dầu thì từ thông tạo ra đã vuông góc với bề mặt lớp dầu. Điều này góp phần tạo ta độ lớn của cường độ từtrường được tăng lên đáng
kế lần lượt là 86,9 kA/m (một lớp dầu) và 123,7 kA/m (hai lớp dầu).
Hình 3.6. Cường độ từ trường H của ba kiểu phanh: a) kiểu trống; b) kiểu sáu cực và một lớp dầu; c) kiểu sáu cực và hai lớp dầu.
Đi sâu vào phân tích với thiết kế phanh từtrường sáu cực một hoặc hai lớp mới có lợi thế không chỉ về cường độ từ trường mà còn về diện tích chuỗi hoạt
động của lớp dầu từ trường. Nhôm là vật liệu không dẫn điện, nó ngăn chặn từ
thông không mong muốn của cuộn dây chạy trực tiếp đến các cuộn dây cạnh nhau. Hình chữT đó nhỏ hơn, cường độ từtrường của phanh từtrường có thểcao hơn nhưng không gian của các cuộn dây bịthương không đủ lớn. Đểđạt được mô-men xoắn cực đại, phanh từtrường không chỉ yêu cầu từtrường cao hơn mà còn phải có diện tích trường cao lớn hơn. Một vấn đề là chiều rộng của một lớp dầu từ trường quá nhỏ 0,5 mm. Từ thông có thể truyền trực tiếp từ stato sang roto hơn là
qua hai lớp dầu từtrường.
Hầu như lớp dầu từtrường giữa roto và stato đã được kích hoạt. Để giảm diện tích từtrường thấp hoặc tăng diện tích lớp lớp dầu từtrường hoạt động:
39
Hình 3.7. Đường đi của từ thông trong phanh từtrường đa cực hai lớp dầu.
• Tăng chiều dài của roto 𝔃 và bán kính của roto trong và roto ngoài không
đổi.
• Tăng sốlượng lớp lớp dầu từtrường.
Vì hai cuộn dây bên cạnh mỗi cực được cung cấp dòng điện ngược chiều nên mỗi cuộn dây kích từ luôn có chiều cực ngược với chiều của cuộn dây bên cạnh của nó. Ví dụ, từ thông của cuộn dây 1 chạy từ stato sang roto và cuộn dây 2 chạy từ roto sang stato. Do đó, vectơ của thông lượng từtrường chạy từ cực này sang cực tiếp theo tạo thành một vòng từkhép kín. Mũi tên màu đỏ là từtrường cao nhất trong lớp lớp dầu từtrường gần như vuông góc với lớp lớp dầu từtrường. Nó tập trung trong lớp dầu từtrường và được định vị ở các góc vuông.
Hình 3.8. Phóng to đường từ thông đi bên trong phanh từ trường.
Phóng vectơ từ trường H trong Hình 3.8 vị trí lớp dầu từ trường trong và
ngoài đều vuông góc với cuộn dây có từtrường lớn hơn. Và một từ thông amout nhỏ chạy hướng qua các lớp dầu từtrường, sự rò rỉ từthông làm cho độ lớn của H suy yếu cũng như ứng suất và mômen hãm. Với phanh từ trường nhiều cuộn dây Bi-layer, dọc theo bề mặt tang MR, từtrường cao ởhai đầu và nhỏhơn ở giữa. Dò Từ thông chạy từ roto bên ngoài qua lớp dầu từtrường bên ngoài và stato, nó tiếp tục chạy qua lớp lớp dầu từ trường bên trong đến roto bên trong. Mũi tên của từ trường H ngược chiều trong cuộn dây tiếp theo. Trong mỗi lớp dầu từtrường, ba khu vực của từtrường: khu vực trường thấp, trung bình và cao. Dọc theo lớp dầu từtrường gần cực, từtrường không phải là từtrường.
40
Hình 3.9. Cường độ từ trườngtrên mỗi lớp dầu của ba kiểu phanh từ trường
khác nhau. 3.2.2.2. Cảm ứng từ B
Cảm ứng từ B dùng để đánh giá vật liệu đạt đến ngưỡng bão hòa của từ trường. Khi cấp dòng điện vào thì sẽ sinh ra từ trường, khi đạt đến giới hạn bão
hòa trên đường cong B-H thì có tang dòng điện lên nữa thì từtrường cũng sẽ không
tăng thêm nữa. Với những điều biên như trên thì kết quả cảm ứng cho ra ở bảng sau: Kiểu phanh Giá trị cảm ứng từ lớn nhất (T) Vị trí tập trung nhiều nhất Kiểu trống 1,59 Ở đầu vào và đầu ra của
cuộn dây trên stato
Phanh sáu cực và một lớp dầu
0,48 Đầu và cuối của thanh nhôm chữ T
Phanh sáu cực và hai lớp dầu
0,68 Đầu và cuối của thanh nhôm chữ T
41
Hình 3.10. Cảm ứng từ B của 3 mô hình phanh từ trường: a) kiểu trống; b) kiểu sáu cực và một lớp dầu; c) kiểu sáu cực và hai lớp dầu.
Với những giá trị cảm ứng từ của 3 mô hình phanh lần lượt là: 1,58 T, 0,48 T và 0,68 T thì vẫn chưa đạt giá trị bị bão hòa của vật liệu thép AISI 1018. Vì
ngưỡng bão hòa từ của thép AISI 1018 là khoảng 2,5 T. Vậy nên khi tăng thêm dòng điện cho cuộn dây thì cường độ từtrường vẫn có thể tăng thêm hơn nữa so với những giá trịđã đưa ra ở phần trên.
Mô-men phanh
Mô-men phanh được tính toán dựa vào cường độ từtrường của mô phỏng và các kích thước của mô hình phanh từtrường. Công thức tính mô-men được đưa ra ở phần tính toán lý thuyết như sau:
Tbt = (𝑅𝑀𝑅𝐹𝑖2 + 𝑅𝑀𝑅𝐹𝑜2 ) ∫ ∫ 𝜏γ𝑑𝜃𝑑𝓏 2𝜋 0 𝓏 0 +2𝜋𝜂ⲱ𝓏 𝑔 (𝑅𝑀𝑅𝐹𝑖 3 + 𝑅𝑀𝑅𝐹𝑜3 ) + 𝑇𝑓𝑟𝑜 PT 3-1 Bỏ qua ma sát giữa các chi tiết như ổ bi, phớt thì theo các công thức tính toán và giá trị cường độ từ trường được đưa ra trong Bảng 3.3. Khe hở giữa roto và stato của mỗi kiểu phanh được lấy là 0,5 mm, tốc độ quay khảo sát của roto là
251,2 rad/s tương ứng 2400 vòng/phút. Độ nhớt ban đầu của dầu từtrường MRF-
140CG được lấy là 0,36 Pa.s. Chiều dài khảo sát của phanh từtrường là 75mm,
đường kính trong 22 mm và đường kính ngoài (phanh sáu cực hai lớp dầu) là 43,5 mm.
42
Bảng 3.3. Tính toán mô-men phanh của ba kiểu phanh từtrường.
Kiểu trống H (kA/m) 𝜏𝛾 (kPa) R (m) z (m) ω (rad/s) η (Pa.s) g (m) T (N.m) 35.72 21.25 0.022 0.075 251.2 0.36 0.0005 5.75 Kiểu sáu cực và một lớp dầu H (kA/m) 𝜏𝛾 (kPa) R (m) z(m) ω (rad/s) η (Pa.s) g (m) T (N.m) 13.75 9.92 0.022 0.075 251.2 0.36 0.0005 3.17 Kiểu sáu cực và hai lớp dầu H (kA/m) 𝜏𝛾 (kPa) R (m) z(m) ω (rad/s) η (Pa.s) g (m) T1 (N.m) 19.55 13.08 0.022 0.075 251.2 0.36 0.0005 3.89 H (kA/m) 𝜏𝛾 (kPa) R2 (m) z(m) ω (rad/s) η (Pa.s) g (m) T2 (N.m) 37.17 21.94 0.0435 0.075 251.2 0.36 0.0005 26.58 30.47 (N.m) Quan sát Hình 3.11 thì mô-men phanh của kiểu sáu cực và hai lớp là đạt giá trị lớn nhất vào khoảng 30,47 N.m. Đặc biệt là mô-men phanh ở dầu ngoài sẽ rất lớn so với lớp dầu trong vì bán kính rộng hơn và cường độ từtrường được tạo ra lớn hơn. Kiếu trống có đặc điểm là thiết kếđơn giản nên tạo ra mô-men phanh nhỏ.
Còn đối với loại một lớp dầu thì có giá trịcường độ từtrường lớn hơn nhưng chỉ
tập trung ở một vài trí nhất định nên chưa tạo ra được mô-men lớn. Kết luận lại kiểu phanh sáu cực hai lớp dầu là tạo ra mô-men phanh cao nhất khi cùng với kích
thước bao bên ngoài.
43
Kết luận CHƯƠNG 3
CHƯƠNG 3 tập trung phân tích đánh giá cường độ từ trường và mô-men
phanh tạo ra của ba kiểu phanh: kiểu trống, kiểu sáu cực và một lớp dầu, kiểu sáu cực và hai lớp. Qua kết quả mô phỏng và tính toán mô-men thì đưa ra kết luận là mô hình phanh kiểu sáu cực và hai lớp dầu đạt giá trị lớn nhất về cường độ từ trường và mô-men phanh khi cùng kích thước bao. Từđó lựa chọn kết cấu phanh này thực hiện thiết kế, chế tạo và lắp đặt ở CHƯƠNG 4 tiếp theo.
44
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, GIA CÔNG VÀ LẮP ĐẶT PHANH TỪ
TRƯỜNG SÁU CỰC VÀ HAI LỚP DẦU