Ở tốc độ thấp, điểm làm việc là A*, điểm làm việc này là khơng ổn định. Vì, nếu một lý do nào đó tốc độ động cơ lớn hơn nA*, thì moment động cơ lớn hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ tiếp tục tăng và nếu tốc độ động cơ nhỏ hơn nA*, thì moment động cơ sẽ nhỏ hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ tiếp tục giảm, dẫn đến tình trạng tắt máy.
Ở tốc độ lớn hơn nB*, điểm làm việc là B*, điểm làm việc này là ổn định. Vì khi tốc độ động cơ lớn hơn nB*, thì moment động cơ nhỏ hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ giảm xuống. Khi tốc độ động cơ nhỏ hơn nB*, thì moment động cơ lớn hơn moment phanh, làm cho tốc độ động cơ tăng lên. Như vậy, điểm làm việc ổn định là điểm B*.
Chúng ta thấy rằng nếu dùng phanh cơ khí chỉ cho phép xác định được đường đặc tính của động cơ trong nhánh từ Mmax đến MB *.
c. Ưu, nhược điểm và ứng dụng
Ưu điểm:
Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp.
Dùng tốt trong trường hợp thử nghiệm động cơ công suất nhỏ. Nhược điểm:
Việc điều khiển phải thực hiện thủ cơng gây khó khăn cho q trình thí nghiệm.
Các chi tiết dễ bị mài mòn, hư hỏng.
29 Ứng dụng: Loại phanh ma sát ngày nay ít dùng, có một số trường hợp dùng kết hợp với phanh thủy lực để mở rộng phạm vi sử dụng phanh thủy lực vì nó có ưu điểm là có thể đo được moment ở số vịng quay rất nhỏ.
3.1.2 Phanh thử dạng thủy lực
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hình 3. 3 Cấu tạo phanh thủy lực
Phanh thủy lực bao gồm vỏ phanh có thể gọi là stator lắp trên hai gối tựa để có thể lắc lư được và trục nối với rotor. Trục của rotor được nối với trục của rulo. Chất lỏng được sử dụng là nước trong một bể chứa và được đưa vào không gian trong rotor qua đường dẫn trên vỏ phanh nhờ một máy bơm. Khi rotor quay, ma sát giữa nước với rotor và lực ly tâm làm cho nước quay theo, tạo ra một áo nước trong vỏ phanh. Ma sát giữa nước với vỏ phanh làm cho stator có xu hướng quay theo. Như vậy nước đã truyền moment từ rotor sang stator và tác dụng lên bộ phận đo lực (cảm biến đo lực- loadcell). Stator được giữ lại bởi một moment ở vị trí cân bằng. Lúc này trong các lớp nước có hiện tượng trượt và tạo nên sự xoáy của nước. Ma sát giữa các lớp nước được biến thành nhiệt và được nước thải mang theo ra ngoài. Lượng nước thải này được dẫn qua két làm mát và quay trở lại bể chứa.
Moment phanh có thể đo được của phanh thủy lực phụ thuộc vào hình dáng kết cấu của mặt trong vỏ và của rotor cũng như đường kính của phanh. Moment này thay đổi rất lớn, đặc biệt phụ thuộc vào hình dáng kết cấu của rotor và stator.
Tải của băng thử khi hoạt động phụ thuộc vào thể tích nước trong phanh thủy lực, thể tích này được điều chỉnh thơng qua việc điều chỉnh lưu lượng đường nước vào và ra của phanh bằng van tiết lưu. Một bơm ly tâm hút nước từ bể chứa đi vào phanh thủy lực, trên đường ống đi vào phanh bố trí một đường nước hồi về bể, cả hai đường ống này đều được bố trí van tiết lưu. Đường nước ra khỏi phanh đi về bể cũng được trang bị một van tiết lưu. Lưu lượng đường nước vào được điều chỉnh bởi van tiết lưu trên cả đường
30 nước vào phanh và đường hồi về bể chứa. Khi phanh đã đạt trạng thái mong muốn, cần điều chỉnh lưu lượng đường nước vào và ra khỏi phanh bằng nhau để duy trì lượng nước trong phanh ổn định.
Phanh thủy lực có nhiều dạng khác nhau. Theo kết cấu người ta chia ra làm ba loại: dạng đĩa, dạng chốt và dạng cánh.
Phanh thủy lực dạng đĩa
Rotor có dạng đĩa phẳng. Khi rotor quay do lực ma sát giữa đĩa rotor với nước và lực ly tâm mà hình thành dịng nước xốy giữa rotor và stator. Nhờ ma sát giữa nước và stator mà moment động cơ được truyền cho stator làm stator có xu hướng muốn xoay quanh ổ đỡ của nó. Stator được giữ cân bằng nhờ cơ cấu cân lực. Vòng nước càng dày thì lực ma sát giữa nước và phanh càng lớn. Để tăng hiệu quả phanh, người ta có thể làm rotor nhiều đĩa hoặc khoan các lỗ trên bề mặt đĩa.
Hình 3. 4 Cấu tạo phanh thủy lực dạng đĩa
1.Stator, 2. Ổ bi stator, 3. Ổ bi rotor, 4. Mặt bích, 5. Băng, 6. Van điều chỉnh, 7. Khớp nối, 8. Rotor.
Phanh thuỷ lực dạng chốt
Rotor được chế tạo ở dạng hình trụ. Trên đó có gắn vào ba hàng chốt 3 cạnh. Mặt hông của stator cũng gắn xen kẽ các chốt ba cạnh. Giữa các hàng chốt trên rotor và stator có khe hở nhất định để tạo khoang nước và tránh va chạm kẹt. Khi cho trục 6 quay làm cho rotor quay. Lượng nước chứa trong phanh tạo nên sự ma sát: ma sát giữa các chốt của rotor với nước, ma sát giữa nước và các chốt của stator. Nhờ có ma sát mà moment được truyền từ rotor sang stator, làm cho stator có khuynh hướng quay theo. Lượng nước trong phanh và khe hở giữa các chốt quyết định đến việc truyền moment. Thông thường khi thử nghiệm, để thay đổi tải cho động cơ người ta điều chỉnh lượng nước vào phanh. Khi lượng nước càng nhiều thì việc truyền moment từ rotor sang stator càng lớn và ngược lại.
31
Hình 3. 5 Cấu tạo phanh thủy lực dạng chốt
1. Stator, 2. Chốt trên stator, 3. Rotor, 4. Chốt trên rotor, 5. Then, 6. Trục nối với trục rulo, 7. Trục rotor.
Công suất phanh dạng chốt khá lớn. Nhược điểm của loại phanh này là làm việc không ổn định, sau một thời gian làm việc vị trí các chốt bị lệch do các đai ốc cố định các chốt bị lỏng, dễ bị hư hỏng do va đập, kẹt và gây ồn.
Phanh thuỷ lực dạng cánh
Loại phanh này có rotor và stator có dạng cánh. Loại phanh dạng cánh thẳng làm việc thuận nghịch. Loại phanh dạng cánh nghiêng làm việc không thuận nghịch: khi phanh quay theo hai chiều khác nhau sẽ cho ra hai giới hạn công suất khác nhau.
Phanh thủy lực dạng cánh điều chỉnh moment phanh bằng cách thay đổi lượng nước trong phanh hoặc thay đổi độ nghiêng của cánh. Phanh loại này có khả năng tạo moment lớn, làm việc êm hơn dạng chốt. Nhược điểm là chế tạo khó khăn, đặc biệt là rotor và stator dạng cánh nghiêng.
Hình 3. 6 Cấu tạo phanh thủy lực dạng cánh
1. Cánh của Rotor, 2. Rotor, 3. Stator, 4. Cánh trên Stator, 5. Vỏ, 6. Cánh tay địn
32
Hình 3. 7 Đặc tính phanh thủy lực
Trên hình 3.7 biểu diễn phạm vi làm việc của phanh thủy lực trên 2 trục tọa độ là cơng suất, moment và số vịng quay. Về phía bên trái, đồ thị phạm vi làm việc bị giới hạn bởi đường cong a là đường cong làm việc ứng với lượng nước trong phanh lớn nhất (moment phanh lúc này là lớn nhất, tăng theo tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ động cơ). Đường cong b là đường giới hạn bởi khả năng truyền moment lớn nhất của trục truyền hoặc khớp nối. Đường c là giới hạn trên – giới hạn cơng suất cực đại mà phanh có thể làm việc được. Điều kiện giới hạn của đường cong c là nhiệt lượng tối đa mà lượng nước có thể mang ra khỏi phanh, bởi vì nhiệt độ của nước ra khỏi phanh phải thấp hơn 70oC, nếu lớn hơn 70oC thì sẽ xuất hiện các bọt nước và ma sát trong phanh sẽ không đồng nhất khiến phanh sẽ bị dao động (lắc lư). Về phía bên phải đặc tính của phanh bị giới hạn bởi sức bền do lực ly tâm sinh ra, đường d là giới hạn số vòng quay cực đại phanh có thể làm việc được. Cuối cùng về phái dưới bị giới hạn bởi đường e là đường cong giới hạn công suất nhỏ nhất ứng với lượng nước trong phanh là ít nhất.
Phanh thủy lực có đường đặc tính đảm bảo làm việc ổn định với động có ở các chế độ khác nhau, điều chỉnh tải dễ dàng. Khi kết hợp với phanh cơ khí sẽ có giới hạn đo lớn hơn. Phanh thủy lực được sản suất hàng loạt để đo công suất động cơ từ 10 đến khoảng 2000 kW. Tuy vậy cũng có những phanh để đo cơng suất lớn hơn nhiều, đến 35000 kW, dùng trong trường hợp có số vịng quay trục nhỏ, chủ yếu là động cơ tàu thủy.
d. Ưu và nhược điểm
Ưu điểm:
Có khả năng thay đổi chế độ tải nhanh.
Dùng cho những băng thử cơng suất động cơ có cơng suất trung bình đến lớn.
Giới hạn thử lớn, đặc biệt khi kết hợp với phanh cơ khí.
Có thể ghép nhiều phanh lại với nhau (thủy lực + thủy lực; thủy lực+ ma sát).
33
Sửa chữa các chi tiết đơn giản, rẻ tiền. Nhược điểm:
Cấu tạo phức tạp, nhiều trang bị phụ, yêu cầu làm kín khắt khe.
Khơng thử được động cơ có cơng suất nhỏ.
Đường kính của phanh bị hạn chế bởi sức bền của vật liệu chế tạo.
Khi nhiệt độ nước vượt 70oC thì phanh sẽ bị dao động nên cho kết quả khơng chính xác.
Nguồn nước cấp cho phanh phải ổn định (tay địn trên phanh khơng bị rung giật).
Khó có thể tự động hố trong điều khiển.
3.1.3. Phanh điện
Phanh điện sử dụng motor điện (AC, DC hay Foucault) có thể thay đổi số vịng quay được. Motor điện có thể hoạt động được cả ở chế độ máy phát để tạo tải (khi được động cơ thử nghiệm dẫn động) hay ở chế độ động cơ để dẫn động động cơ thử nghiệm. Để thay đổi số vòng quay, ở động cơ AC người ta thường sử dụng biện pháp thay đổi tần số dòng điện, ở động cơ DC người ta dùng biện pháp thay đổi vị trí chổi than, thay đổi điện áp…
Motor hoạt động ở chế độ máy phát: công suất được truyền từ động cơ xuống motor thông qua rulo và hệ thống truyền động. Rotor của motor quay sinh ra điện trên cuộn dây stator và moment điện từ có khuynh hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Moment điện từ kéo stator quay theo cùng chiều và tốc độ với rotor. Trong trường hợp này, stator được liên kết với loadcell, cho nên moment điện từ tạo ra lực tác dụng lên loadcell. Vì vậy, lực này tỉ lệ với moment điện từ. Đồng thời, loadcell giữ, không cho stator quay, moment điện từ hãm sự quay của rotor. Công suất điện của máy phát tạo ra sẽ được tiêu thụ bằng bộ tiêu thụ điện, thường là các điện trở để chuyển hóa điện năng thành nhiệt.
Motor hoạt động ở chế độ động cơ: Công suất điện của motor chuyển thành công suất cơ kéo rulo quay. Ở chế độ này, công suất được truyền từ nguồn điện đến motor, sinh ra moment điện từ. Moment này (lực điện từ) làm quay rotor, kéo rulo quay. Lực điện từ này cũng làm xoay stator và tác động lên loadcell. Stator xoay cũng sinh ra moment bằng với moment điện từ.
Đối với băng thử nghiên cứu trong đồ án này, tác giả chỉ xét trường hợp motor hoạt động ở chế độ máy phát.
a. Phanh điện DC (Direct current)
Phanh điện DC dùng một máy phát điện một chiều để tạo tải. Máy phát điện một chiều gồm hai phần chính là stator và rotor. Trong đó, stator thường là nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện cung cấp từ trường; rotor là các cuộn dây quấn. Khi cho xe hoạt động, moment xoắn động cơ truyền tới bánh xe chủ động và nhờ sự tiếp xúc giữa
34 bánh xe chủ động với rulo làm rulo quay, rulo quay kéo rotor quay, giữa stator và rotor có sự chuyển động tương đối với nhau. Từ thơng của stator móc vịng qua các cuộn dây rotor sẽ thay đổi theo. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, trên cuộn dây rotor sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng và độ lớn dòng điện cũng như chiều dòng điện sẽ phụ thuộc vào số vòng dây cuộn cảm, tốc độ quay và vị trí tương đối giữa rotor và stator. Để đưa ra được điện áp một chiều, người ta bố trí các chổi than ở vị trí phù hợp. Đồng thời, moment điện từ sinh ra có hướng cản lại chiều quay của rotor, tạo ra lực tác dụng lên loadcell gắn trên stator. Loadcell giữ không cho stator quay, moment điện từ hãm tốc độ quay của rotor, tạo ra moment cản tại bánh xe chủ động. Mặt khác, công suất điện của máy phát tạo ra sẽ được tiêu thụ bằng bộ tiêu thụ điện.
Hình 3. 8 Phanh điện DC
Ưu điểm:
Thích hợp với việc thay đổi tải nhanh
Dễ dàng kết nối với máy tính để điều khiển
Khơng cần làm mát bằng nước
Tiết kiệm điện năng, độ bền cao Nhược điểm:
Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng thường hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên.
Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ.
Giá thành đắt, công suất không cao.
Với những ưu, nhược điểm trên, phanh điện DC thường sử dụng cho băng thử cơng suất để thử nghiệm động cơ có cơng suất vừa và nhỏ.
35
b. Phanh điện AC (Alternating Current)
Phanh điện AC dùng một máy phát điện xoay chiều để tạo ra moment cản tại bánh xe. Máy phát có cấu tạo gồm 2 phần chính là stator và rotor. Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện tạo ra từ trường, còn stator là các cuộn dây, đối với máy phát điện ba pha thì có 3 cuộn dây giống nhau đặt lệch nhau 1 góc 120o. Khi cho xe hoạt động, moment xoắn động cơ truyền tới bánh xe chủ động và nhờ sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với rulo làm rulo quay, rulo quay kéo rotor quay. Khi rotor quay, từ thông qua cuộn dây biến thiên, trên các cuộn dây stator xuất hiện suất điện động cảm ứng xoay chiều. Khi các suất điện động này được đưa ra mạch ngồi thì sẽ sản sinh ra thành các dịng điện xoay chiều. Cơng suất điện của máy phát tạo ra sẽ được tiêu thụ bằng bộ tiêu thụ điện. Đồng thời khi rotor quay tạo ra moment điện từ có khuynh hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Moment điện từ kéo stator quay theo cùng chiều và tốc độ với rotor. Stator được liên kết với loadcell, cho nên moment điện từ tạo ra lực tác dụng lên loadcell. Vì vậy, lực này tỉ lệ với moment điện từ. Đồng thời, loadcell giữ, không cho stator quay, moment điện từ hãm sự quay của rotor, tạo ra moment cản tại bánh xe chủ động.
Hình 3. 9 Phanh điện AC
Ưu điểm:
Công suất cao, quán tính nhỏ hơn phanh DC
Thích hợp với việc thay đổi tải nhanh
Dễ dàng kết nối với máy tính để điều khiển
Không cần làm mát bằng nước
Tiết kiệm điện năng, độ bền cao Nhược điểm:
36
Kích thước lớn hơn, chi phí sửa chữa cao, giá thành đắt
Không phù hợp thử nghiệm công suất nhỏ
Phanh điện AC có cơng suất lớn hơn phanh điện DC nên thường được dùng trong băng thử cơng suất cỡ vừa và lớn.
Đặc tính phanh điện DC và AC
Hình 3. 10 Đặc tính phanh điện DC và AC
Trên hình 3.10 biểu diễn đường đặc tính moment theo số vịng quay và cơng suất theo số vòng quay của phanh điện DC và AC. Đường a là đường giới hạn khả năng truyền moment của phanh điện. Đường b là đường giới hạn công suất cực đại mà phanh có thể làm việc được. Đường c là giới hạn số vòng quay cực đại phanh có thể làm việc được.
c. Phanh điện Foucault (Eddy current)
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Phanh điện Foucault hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ trong kim loại khối để tạo ra moment. Rotor là đĩa kim loại có răng ở mép và được làm mát bằng nước; stator là các cuộn dây. Khi đĩa kim loại quay, từ trường