1. CHƯƠN G1
1.5. Định hướng nghiên cứu
1.5.1. Chọn cấu hình ổ từ chủ động
Chọn cấu hình cơ khí hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ chủ động
Với định hướng thiết kế điều khiển cho hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ từ trong hệ thống FES, để đối tượng nghiên cứu phù hợp với thiết bị thực tế, ta chọn cấu hình cơ khí cho hệ động cơ-bánh đà như hình 1.12. Trong đó rotor động cơ được lắp cứng trục với bánh đà. Stator được cố định với phần khung tĩnh bên ngoài. Khi quay, phần quay gồm bánh đà và rotor được nâng bởi hệ ổ từ năm bậc tự do như đã đề cập ở phần trước. Điểm cần lưu ý của hệ này là khi hệ thống nghỉ không hoạt động thì phần quay sẽ “đứng” trên phần tĩnh. Để hệ thống hoạt động, trước hết phần quay phải được ổ từ
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
dọc trục nâng lên và giữ ổn định theo chiều dọc, sau đó các ổ từ ngang trục tác động đưa phần quay về vị trí làm việc trước khi động cơ cho bánh đà quay. Với cấu hình như hình 1.12 thì ổ từ dọc trục chịu tải trọng lớn tức là phải tạo lực nâng lớn. Trong khi đó các ổ từ ngang trục chỉ cần tạo lực nhỏ vì để di chuyển hoặc giữ ổn định theo phương ngang. Khi đó do khơng có tiếp xúc nên lực cản rất nhỏ.
Cấu hình của các hệ truyền động đông cơ - bánh đà như hình 1.1, hình 1.2 hay 1.3 như trên thường gồm 2 cụm ổ từ ở hai đầu trục (4 bậc tự do) để điều khiển vị trí ngang trục còn nhiệm vụ nâng và điều khiển ổn định dọc trục cho toàn bộ cơ cấu động bánh đà – máy điện chỉ có một ổ từ và cũng phải bố trí trên trục quay. Do vậy kích thước dọc trục của hệ thống bị kéo dài làm hệ thống cồng kềnh và giảm tính bền vững, ổn định.
Từ các nhận xét trên cũng như từ đặc điểm hình dạng của bánh đà, luận án đề
xuất cấu hình ổ từ chủ động mới cho hệ truyền động động cơ - bánh đà. Hình 1.12
cũng mơ tả điểm cơ bản của đề xuất này đó là chỉ dùng 1 cụm 2 ổ từ ngang trục để điểu khiển và giữ vị trí 1 đầu trục. Một cơ cấu ổ từ dọc trục sẽ có chức năng nâng và giữ bánh đà trong mặt phẳng nằm ngang (vng góc với trục dọc). Với trục quay (dọc) và bánh đà là một khối cứng thì cấu hình trên vẫn hồn tồn đảm bảo nâng và giữ được bánh đà không tiếp xúc giữa các ổ từ như hệ thông thường. Sau khi ổ từ dọc trục đã nâng và giữ cứng bánh đà trong phương ngang thì vị trí ngang trục chỉ cần điều khiển bởi 1 cụm ổ từ.
Hình 1.12. Cấu hình hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ làm mơ hình thử nghiệm. Bánh đà Cảm biến Stator Rotor Ổ từ ngang trục Ổ từ dọc trục
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
Đề xuất cấu hình ổ từ nâng bánh đà.
Với cấu hình như trên thì nhiệm vụ của các ổ từ dọc trục khơng chỉ nâng mà cịn phải quay (lật) bánh đà sao cho mặt phẳng bánh đà vng góc với trục dọc của hệ (hay chính là trục dọc của stator máy điện). Từ yêu cầu điều khiển như trên và với bánh đà dạng vành tròn rộng, luận án đề xuất cấu hình mới cho cụm ổ từ nâng bánh đà như hình 1.13.
Hình 1.13. Cấu hình hệ ổ từ của mơ hình thử nghiệm.
Với bánh đà dạng vành rộng trong mặt phẳng ngang, có khối lượng và kích thước tương đối lớn, để nâng bánh đà theo phương đứng (dọc trục) đồng thời giữ mặt phẳng bánh đà vng góc với trục dọc (trục stator) đó, 3 ổ từ được bố trí nằm trên 3 góc u, v, w tạo thành các góc 1200 so với tâm hệ ổ từ (tâm stator).
- Ổ từ trục u gồm hai nam châm, nam châm trên với dòng điện i2u tạo lực F2u, nam châm dưới với dòng điện i1u tạo lực F1u. Tổng hợp hai lực thành lực Fu
có chiều và giá trị tùy ý tác động tại góc u của bánh đà.
- Cảm biến đo vị trí dọc trục cũng đặt tại trục u đo độ dịch chuyển zu theo phương dọc trục của góc u bánh đà do với vị trí cân bằng là vị trí bánh đà giữa hai nam châm trên và dưới. Các góc v và w tương tự.
Các ổ từ này kết hợp vừa có vai trị nâng dọc trục vừa giữ mặt phẳng bánh đà. Các nam châm này thuận lợi để tạo lực nâng chủ đạo để nâng bánh đà vì sử dụng chính bề mặt bánh đà bằng thép có độ dẫn từ tốt nên có tiết diện mạch từ lớn, giảm được dòng điện nam châm, giảm tiêu hao năng lượng cho ổ từ.
u v w i1u, F1u i2w,F2w i1v,F1v i2u,F2u zw zu zv i1w,F1w i2v, F2v z
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
Với cấu hình hệ bánh đà như đã mơ tả như hình 1.12 và hình 1.13, ta thấy hệ ổ từ có thể chia làm hai phần:
- Phần ổ từ ngang trục tương tự như ổ từ trong các loại động cơ có tích hợp ổ từ, có nhiệm vụ giữ cho đầu trục phía trên ổn định ở chính giữa ổ từ. Sau khi bánh đà đã được nâng để khơng tiếp xúc với phần tĩnh thì ổ từ này có thể điều khiển độc lập. Điều khiển cho kiểu ổ từ này đã được một số nghiên cứu trong nước gần đây quan tâm và đã có những kết quả nhất định [34] [35].
- Phần nâng bánh đà gồm 3 ổ từ tạo thành hệ ổ từ 3 bậc tự do như hình 1.13. Đây là một cấu trúc mới, có nhiều ưu điểm về mặt thiết kế chế tạo và hoạt động nhưng cũng là một đối tượng điều khiển mới.
1.5.2. Xây dựng mơ hình điều khiển ổ từ
Mặc dù hệ ổ từ hình 1.13 chỉ có ba bậc tự do điều khiển nhưng nó có tính xen kênh và phi tuyến. Vì vậy trong nội dung luận án sẽ định hướng nghiên cứu xây dựng được động học của ổ từ ba bậc tự do.
1.5.3. Thiết kế điều khiển
Định hướng nghiên cứu của luận án sẽ theo hướng ứng dụng điều khiển đa biến phi tuyến phi tuyến cho ổ từ chủ động trong mơ hình truyền động động cơ- bánh đà.
1.5.4. Xây dựng mơ hình thử nghiệm
Để minh chứng nghiên cứu luận án sẽ đi xây dựng mơ hình thử nghiệm và tiến hành các thử nghiệm trên mơ hình để kiểm chứng kết quả nghiên cứu.