Bánh đà được thiết kế vừa làm nhiệm vụ lưu trữ năng lượng và tích hợp cả phần quay của động cơ/máy phát điện. Bánh đà/máy điện được nâng đỡ bởi hệ ổ đỡ từ gồm các ổ từ ngang trục trên và dưới và ổ từ dọc trục có nhiệm vụ nâng toàn bộ trọng lượng bánh đà. Ổ từ dọc trục gồm nam châm vĩnh cửu tạo lực nâng nền và nam châm điện để điều chỉnh và ổn định vị trí. Cấu hình này có thể thay đổi thành một số biến thể khác và đều có thể sử dụng miễn là đảm bảo khả năng nâng đỡ bánh đà và không bị nghiêng khi hoạt động. Ổ từ kiểu đồng cực hoạt động ưu việt hơn và càng cải thiện hơn khi có nam châm vĩnh cửu làm nền. Việc sử dụng ổ từ có nam châm vĩnh cửu làm nền cho phép giảm một nửa số bộ khuyếch đại cơng suất, chỉ cịn một cho mỗi trục. [14] đồng thời đề xuất cấu trúc cấp nguồn cho hoạt động của ổ đỡ từ bằng chính năng lượng từ bánh đà, khi đó cho phép hệ thống làm việc hoàn toàn độc lập.
Hệ ổ từ nâng bánh đà thường gồm 5 bậc tự do (còn gọi là 5 trục), với hai bậc để ổn định ngang trục cho đầu trục phía trên và hai bậc để ổn định phương ngang trục cho đầu trục phía dưới, ổ từ cịn lại ổn định dọc trục và tạo lực nâng chính để nâng bánh đà. Với các cơ cấu cỡ nhỏ và dạng thân dài như động cơ ổ từ thì cấu trúc này là phù hợp. Tuy nhiên đối với các bánh đà trọng lượng lớn và dạng đĩa dẹt thì cấu trúc này khơng phù hợp. [7] đã đề xuất cấu trúc chuyển ổ từ dọc trục thành 3 bậc tự do kết
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
hợp với bai bậc để ổn định ngang trục. Cấu trúc này cho phép tăng lực nâng dọc trục, không làm tăng số bậc tự do của hệ thống, giảm dòng điện cho nam châm điện và bộ khuyếch đại (do tiết diện mạch từ lớn và phẳng).
[15] nghiên cứu hệ bánh đà ổ từ có thêm ổ đỡ cơ lai (kết hợp ngang và dọc trục) làm dự phòng và ổ từ thụ động (nam cham vĩnh cửu) tạo lực nâng nền. Ổ từ tích cực nâng bánh đà ở chế độ làm việc bình thường. Hệ điều khiển ổ từ (bộ điều khiển và khuyếch đại công suất) ban đầu được cấp nguồn từ ngồi, sau đó được cấp nguồn từ chính máy phát của hệ FESS. Mặc dù hệ ổ từ tích cực 5 trục làm nhiệm vụ nâng và ổn định bánh đà nhưng hệ có một ổ từ thục động tạo lực nâng dọc trục có tác dụng đỡ một nửa khối lượng bánh đà. Cơ cấu này cho phép giảm công suất và kích thước của hệ ổ từ chủ động đồng thời giảm tải trọng cho ổ đỡ cơ dự phòng khi ổ đỡ từ chủ động bị lỗi. Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá các tình huống lỗi và các phương thức vận hành hệ động cơ - bánh đà khi có lỗi để đảm bảo an tồn và tăng tuổi thọ cho các phần tử gồm cả bánh đà, ổ từ, ổ đỡ dự phòng.
Khả năng lưu trữ năng lượng của bánh đà tỷ lệ thuận với mơ men qn tính theo khối lượng ngang trục và bình phương tốc độ quay, nhưng khơng phụ thuộc mơ men qn tính dọc trục. Vì vậy, nếu xem xét khía cạnh tăng khả năng lưu trữ năng lượng, bánh đà đường kính rộng sẽ lưu trữ tốt hơn bánh đà thân trụ dài. Tuy nhiên, mô men con quay hồi chuyển của bánh đà đường kính rộng lớn hơn bánh đà kiểu trụ dài, có thể làm cho hệ thống kém ổn định, đặc biệt với hệ nâng bằng ổ từ do có khe hở.
Để đánh giá và so sánh sự ổn định của của hệ TĐ ĐC-BĐ tích hợp ổ từ theo các kiểu thiết kế, [16] đã thử nghiệm hai hệ với kiểu bánh đà trái ngược nhau, với hai bánh đà có cùng dung lượng 5kWh tại tốc độ quay 18.000 vòng/phút. Với cùng bộ điều khiển, hệ bánh đà đường kính lớn bắt đầu không ổn định ở tốc độ khoảng 9.000 vòng/phút trở lên. Ngược lại, bánh đà trụ thân dài vẫn ổn định ngay khi tốc độ trên 20.000 vòng/phút. Khi tăng hệ số khuyếch đại điều khiển, hệ bánh đà vành rộng tăng được dải tốc độ làm việc ổn định nhưng độ nhạy với nhiễu cũng tăng.
Tuy nhiên, về mặt năng lượng thì bánh đà kiểu vành rộng lưu trữ được nhiều năng hơn bánh đà thân trụ dài tính theo mật độ năng lượng trên đơn vị khối lượng (kWh/kg). Với khối lượng của bánh đà vành rộng chỉ bằng chỉ bằng 60% so vói bánh đà thân trụ dài nhưng năng lượng lưu được nhiều hơn 70%. Như vậy, FESS với tỷ lệ
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
mơ men qn tính ngang trục/mơ men qn tính dọc trục lớn thích hợp hơn với tỷ lệ quán tính nhỏ hơn. [16] cũng cho thấy với một hệ truyền động bánh đà có ổ từ, vấn đề ưu tiên khơng chỉ là hiệu suất năng lượng mà còn là sự ổn định của hệ thống.
Một đối tượng mà vai trò của thiết bị lưu trữ năng lượng rất quan trọng là vệ tinh địa tĩnh. Hệ thống lưu trữ năng lượng trong vệ tinh địa tĩnh có nhiệm vụ cung cấp điện cho hệ thống khi pin mặt trời không hoạt động vì vệ tinh nằm trong bóng của Trái đất. Vệ tinh địa tĩnh điển hình bay một vịng trái đất trong khoảng 90 phút và có thể dùng trực tiếp năng lượng mặt trời trong hơn một nửa thời gian này. Thời gian còn lại do hệ thống lưu trữ cung cấp. Với vệ tinh có thời gian hoạt động cỡ 10 năm thì hệ thống lưu trữ năng lượng trải qua khoảng 60.000 chu trình sạc/xả, vượt quá giới hạn độ bền của pin điện hóa điển hình. Do đó việc sử dụng FESS cho phép kéo dài đáng kể tuổi thọ của vệ tinh so với dùng acqui thơng thường. FESS có thể hoạt động với số chu kỳ sạc/xả không giới hạn. Hơn nữa, nếu sử dụng ổ đỡ từ và động cơ/máy phát không chổi than cho FESS, rotor có thể bị treo mà khơng có bất kỳ tiếp xúc cơ học nào, khi đó cho phép tốc độ quay và mật độ năng lượng rất cao mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của hệ thống.
Đối với FESS hoạt động trên vệ tinh thì có yếu tố độ tin cậy và mật độ lưu trữ năng lượng, theo đơn vị trọng lượng hoặc thể tích đều quan trọng. Nếu phần tử và hệ thống càng phức tạp thì độ tin cậy càng thấp. Với tư tưởng đó, [17] đề xuất một thiết kế đơn giản hơn là ổ đỡ từ điện động đơn cực. Những ưu điểm chính của ổ đỡ từ điện động đơn cực so với ổ đỡ từ chủ động (AMB) là sự đơn giản và công suất phần bộ biến đổi và điều khiển rất thấp, dẫn đến độ tin cậy của hệ thống cao hơn, đó là một yếu tố quan trọng cho các ứng dụng không gian. Mặt khác, thiết kế cũng có thể phù hợp cho các ứng dụng thương mại do chi phí thấp hơn so với AMB.
Khác với các kiểu ổ đỡ từ chủ động hay ổ đỡ từ điện động đơn cực, [18] đề xuất hệ thống ổ đỡ từ không tiếp xúc thụ động. Ưu điểm của ổ đỡ từ thụ động so với ổ đỡ từ chủ động là độ ổn định, và do đó có độ tin cậy cao hơn, là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng ổ đỡ không tiếp xúc cho các hệ như FESS. Thiết kế ở đỡ từ thụ động có một số hạn chế như là tổn thất quay lớn, yêu cầu chế tạo có độ chính xác cao và các vấn đề động học.
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
Trong số các kiểu ổ đỡ từ hoạt động dựa trên sự tương tác của đối tượng dẫn từ (vật được nâng) với trường thay đổi theo thời gian, có một kiểu thiết bị sử dụng các vịng dẫn khép kín gắn trên rotor và di chuyển qua từ trường được tạo ra bởi các thiết bị từ tính được gắn trên stator. Thay đổi theo thời gian là bởi vì được quan sát từ phía rotor, trong khi nó vẫn khơng đổi trong hệ tọa độ stator và có thể được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu, trong trường hợp đó khơng cần nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài để vận hành hệ thống. Loại ổ đỡ từ này đã được đề xuất gần đây [18], và nó ưu việt hơn so với các phương pháp tương tự đã biết trước đó sử dụng dịng xốy cảm ứng trong các dây dẫn di chuyển so với nam châm vĩnh cửu, nhất là theo hướng giảm thiểu tổn thất quay. Phương án [18] đưa ra có ưu điểm làm tổn thất quay nhỏ hơn và độ nhạy với sự thay đổi hình dạng của vịng dẫn thấp hơn, sự thay đổi này có thể xảy ra do sản xuất khơng chính xác hoặc rotor bị căng ra do lực ly tâm. Với kiểu ổ từ này, tổn thất quay có thể được khử hồn tồn nếu chỉ có tải trọng dọc trục. Đặc điểm này rất phù hợp cho các ứng dụng cố định như hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà.
Ổ đỡ từ thụ động không cần hệ thống điều khiển bên ngồi và nguồn điện, đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy rất cao nên có thể là một giải pháp làm ổ đỡ từ cho các ứng dụng tốc độ cao khơng địi hỏi độ chính xác cao định vị rotor.
Một kiểu ổ đỡ không tiếp xúc rất phù hợp cho bánh đà là ổ đỡ siêu dẫn. Ổ đỡ siêu dẫn có lực cản quay rất nhỏ so với tất cả các loại ổ đỡ khác, kể cả ổ đỡ từ chủ động. Nhưng một nhược điểm của ổ đỡ siêu dẫn là độ cứng vững thấp. Ổ đỡ từ siêu dẫn cung cấp hiệu ứng lực duy trì ngang bởi từ trường của lớp siêu dẫn, ngay cả khi rôto được nâng theo chiều dọc. Tuy nhiên độ cứng theo phương ngang ổ đỡ từ siêu dẫn cho rôto bánh đà rất hạn chế với chất siêu dẫn nhiệt độ cao.
[19] đề xuất một giải pháp dùng nam châm vĩnh cửu phụ trợ di chuyển có điều khiển để cải thiện độ cứng bên của hệ thống bánh đà nâng bằng ổ đỡ từ siêu dẫn. Hệ thống bánh đà được nâng bằng các ổ đỡ từ siêu dẫn nhiệt độ cao và được tích hợp thêm một bộ phận nam châm vĩnh cửu ở đầu rotor. Nguyên tắc hỗ trợ tích cực ở đây là điều khiển di chuyển nam châm vĩnh cửu phụ trợ ngược pha với sự dịch chuyển rotor. Thử nghiệm cho thấy tác động phụ trợ bằng chuyển động nam châm vĩnh cửu điều khiển tích cực làm giảm đáng kể độ rung của rotor bánh đà, độ cứng ngang trục của rôto bánh đà được cải thiện nhờ sự hỗ trợ nam châm vĩnh cửu.
Chương 1: Khái quát chung về hệ truyền động động cơ - bánh đà tích hợp ổ từ chủ động.
Tuy nhiên sự chậm trễ pha lớn của dịch chuyển nam châm phụ trợ có thể gây ra sự mất ổn định trong hệ thống nâng rotor. Như vậy, yếu tố quan trọng trong việc thực hiện phương pháp này là hệ nam châm phụ trợ phải phản ứng đủ nhanh so với những biến đổi động học của rotor bánh đà.
Có thể thấy rằng, các phương pháp thực hiện ổ đỡ từ không tiếp xúc bao gồm: sử dụng các vật liệu từ tính (khơng siêu dẫn), đối tượng được nâng tương tác với từ trường biến thiên theo thời gian (ổ đỡ từ điện động đơn cực), mômen quay hồi chuyển, vật liệu siêu dẫn, ổ đỡ từ thụ động, hoặc hệ thống điều khiển có phản hồi hay cịn gọi là ổ đỡ từ tích cực v.v… đều đã được nghiên cứu, thử nghiệm và đánh giá ở nhiều mức độ khác nhau [20] [21]. Tuy vậy, trong thực tế, chỉ có giải pháp ổ đỡ từ tích cực đã được triển khai ứng dụng tương đối rộng rãi trong thực tế. Có được điều đó là do so với các phương pháp khác, ổ đỡ từ tích cực có khả năng chịu tải cao, độ cứng vững tốt, mức tổn hao quay thấp và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế như cần cấp nguồn liên tục và hệ điều khiển phức tạp.
1.3. Phân tích ngun lý chung hệ TĐ ĐC-BĐ có tích hợp ổ đỡ từ.
Hệ TĐ ĐC-BĐ dùng ổ từ trong thực tế có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một nguyên lý được trình bày trên hình 1.6. Bánh đà được gắn phần rotor của động cơ (máy điện), phần stator nối với bộ biến đổi BBD và qua biến áp nối vào lưới điện. Bánh đà được nâng bởi năm ổ từ: ổ từ dọc trục cho trục z (OTz) và hai ổ từ ngang trục cho trục x1, y1 (OTx1y1) phía trên và hai ổ từ ngang trục cho trục ổ từ x2, y2 (OTx2y2) phía dưới.
BBD Rotor
Stato
Máy điện Bộ biến đổi Biến áp Nguồn điện
OTx1,y1
OTx2,y2 OTz