Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai" trình bày các nội dung chính sau: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của ổ từ; Phân tích tính toán chi tiết về dạng cấu trúc ổ từ kiểu lai đã được công bố và tìm ra những hạn chế tồn tại để đưa ra cải tiến mới; Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới bằng cách tách chuyển động hỗn hợp của rotor thành thành hai chế độ chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tại tâm của rotor.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ ĐÌNH ĐẠT NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG Ổ TỪ KIỂU LAI Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch 2. PGS.TS. Nguyễn Huy Phương Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 16 tháng 12 năm 2021 Thay mặt tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Quang Địch Vũ Đình Đạt 1
LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, PGS.TS. Nguyễn Huy Phương, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Xin chân thành cảm ơn các giảng viên, các nhà khoa học thuộc viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, bộ môn Tự động hóa công nghiệp (viện Điện) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cảm ơn Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số quy trình thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới vợ, hai con và toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này. Tác giả luận án 2
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................ 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... 11 DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................... 11 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 14 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................... 14 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................ 15 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 15 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................... 15 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN................................................................ 15 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .................................................................... 16 7. BỐ CỤC VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN .................................................................. 16 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI ............................................. 18 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ Ổ TỪ .............................................................................. 18 1.1.1 Ổ từ bị động (PMB) .................................................................................. 19 1.1.2 Ổ từ chủ động (AMB) ............................................................................... 20 1.1.3 Ổ từ kiểu lai (HMB) .................................................................................. 20 1.2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Ổ TỪ KIỂU LAI.......................................................... 21 1.2.1 Nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai ......................................................... 21 1.2.2 Nguyên cứu về các phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai ........................ 25 1.3 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU ......................................................... 27 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỚI Ổ TỪ KIỂU LAI .................. 28 2.1 Ổ TỪ KIỂU LAI KHÔNG CÓ KHE HỞ PHỤ............................................................. 28 2.1.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai không có khe hở phụ .............................................. 28 2.1.2 Phân tích mô hình bằng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn ......... 30 2.1.3 Phân tích so sánh kết quả ......................................................................... 34 2.2 Ổ TỪ KIỂU LAI KHE HỞ PHỤ .............................................................................. 36 2.2.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe hở phụ ............................................................. 36 2.2.2 Phương pháp tính toán mạch từ tương đương ......................................... 37 2.2.3 Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn ................................................ 39 2.2.4 Phân tích đánh giá kết quả ....................................................................... 40 2.3 Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH ........................................................................ 42 2.3.1 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách ........................................................ 43 2.3.2 Phương pháp tính toán mạch từ tương đương ......................................... 45 3
2.3.3 Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn ................................................ 51 2.3.4 So sánh ổ từ kiểu lai khe phân cách và ổ từ kiểu lai khe hở phụ .............. 55 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................... 58 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH ........................................................................................ 59 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ....................................................................... 59 3.1.1 Mô tả hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách.............................................. 59 3.1.2 Xây dựng mô hình toán học hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách .......... 60 3.2 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TẬP TRUNG PD .................. 65 3.2.1 Thiết kế hệ điều khiển PD ........................................................................ 65 3.2.2 Mô phỏng đánh giá hệ điều khiển PD ..................................................... 71 3.3 XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN DỰA TRÊN BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ....... 75 3.3.1 Thiết kế hệ điều khiển trượt ..................................................................... 75 3.3.2 Mô phỏng đánh giá hệ điều khiển trượt .................................................. 81 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................... 87 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................................................................... 88 4.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ................................................................. 88 4.2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH CỦA HỆ THỐNG Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH .............. 89 4.2.1 Stator của ổ từ kiểu lai khe phân cách ..................................................... 89 4.2.2 Rotor của ổ từ kiểu lai khe phân cách ...................................................... 90 4.3 PHẦN CỨNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH .................... 92 4.3.1 Mô tả phần cứng của hệ điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách ............ 92 4.3.2 Bộ biến đổi công suất .............................................................................. 93 4.3.3 Cảm biến khoảng cách............................................................................. 95 4.3.4 Mô hình hoàn thiện hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách....................... 97 4.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................. 98 4.4.1 Rotor ở trạng thái tĩnh không quay ......................................................... 98 4.4.2 Rotor ở trạng thái quay ........................................................................... 99 4.4.3 Khi rotor thay đổi tải trọng và có tác động nhiễu lực bên ngoài ........... 100 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..................................................................................... 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 104 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 107 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 114 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt 1 AMB Active Magnetic Bearing Ổ từ chủ động 2 COM Center Of Mass Khối tâm rotor 3 DOF Degrees Of Freedom Bậc tự do Equivalent Magnetic Circuit Phương pháp mạch từ tương 4 EMCM Method đương Phương pháp phần tử hữu 5 FEM Finite Element Method hạn 6 HMB Hybrid Magnetic Bearing Ổ từ kiểu lai Multiple-Input, Multiple- 7 MIMO Nhiều đầu vào nhiều đầu ra Output 8 PMB Passive Magnetic Bearing Ổ từ bị động 9 PWM Pulse Width Modulation Điều chỉnh độ rộng xung 10 SISO Single-Input, Single-Output Một đầu vào một đầu ra 2. Danh mục các ký hiệu STT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 B T Mật độ từ thông 2 H A/m Cường độ từ trường 3 Fpm A Sức từ động của nam châm 4 Rst 1/H Từ trở của gông thép stator trái phải 5 Rag 1/H Từ trở khe hở không khí giữa cực từ và rotor 5
6 Rrt 1/H Từ trở của rotor 7 Rt1 1/H Từ trở của mạch từ (trường hợp 1) 8 Rt2 1/H Từ trở của mạch từ (trường hợp 2) 9 Rsa 1/H Từ trở của khe hở phụ 10 1 Wb Từ thông của mạch từ (trường hợp 1) 11 2 Wb Từ thông của mạch từ (trường hợp 2) 12 F1 N Lực từ do nam châm vĩnh cửu sinh ra 13 F2 N Lực từ do cuộn dây điều khiển sinh ra 14 F N Tổng lực từ tác dụng lên rotor 15 0 H/m Độ từ thẩm của chân không 16 u Hệ số từ thẩm tương đối của nam châm 17 NI A Sức từ động cuộn dây điều khiển 18 N vòng Số vòng dây của cuộn dây điều khiển 19 Ag m Khoảng cách khe hở phụ ix 0 Dòng điện điều khiển tại vị trí rotor cân bằng 20 A chính giữa ix Lượng thay đổi dòng điện điều khiển khi rotor 21 A dịch chuyển một khoảng x 22 x m Khe hở không khí cực từ phía trên và rotor 23 x m Khe hở không khí cực từ phía dưới và rotor NI x Sức từ động cuộn dây điều khiển cực từ phía trên 24 A rotor Rai  Từ trở của khe hở không khí của cực từ và rotor 25 1/H (phần cực từ ở giữa chứa nam châm vĩnh cửu). Rai  Từ trở của khe hở không khí của cực từ và rotor 26 1/H (phần cực từ ở ngoài không nam châm vĩnh cửu). 6
Rsi Từ trở của nửa cực từ stator bên trái, bên phải 27 1/H (phần cực từ ở giữa chứa nam châm vĩnh cửu) Từ trở của nửa cực từ stator bên trái, bên phải 28 Rso 1/H (phần cực từ bên ngoài không chứa nam châm vĩnh cửu) 29 Rrt 1/H Từ trở của rotor 30 A m2 Tiết diện phần khe hở giữa cực từ và rotor 31 Ai m2 Tiết diện cực từ phần trong chứa nam châm Ao Tiết diện cực từ phần ngoài không chứa nam 32 m2 châm Hệ số diện tích phần cực từ ở giữa chứa nam 33 ki châm so với tổng diện tích mặt cắt ngang của cực từ ko Hệ số tiết diện phần cực từ ngoài không chứa nam 34 châm với tổng diện tích mặt cắt ngang của cực từ Rci Từ trở xác định không đổi trong mạch từ ở giữa 35 1/H chứa nam châm Rco Từ trở xác định không đổi trong mạch từ ở ngoài 36 1/H không chứa nam châm Rxi  Từ trở mạch từ phần giữa chứa nam châm (cực từ 37 1/H phía trên rotor) Rxo Từ trở mạch từ phần ngoài không chứa nam châm 38 1/H (cực từ phía trên rotor)  xi  Từ thông mạch từ phần giữa chứa nam châm (cực 39 Wb từ phía trên rotor) xo Từ thông mạch từ phần ngoài không chứa nam 40 Wb châm (cực từ phía trên rotor) 41 Fx N Lực từ của cực từ phía trên tác dụng lên rotor 42 Fx N Lực từ của cực từ phía dưới tác dụng lên rotor 43 Fx N Tổng lực từ tác dụng lên rotor theo phương trục x 44 K ix N/A Hệ số độ cứng dòng điện 45 Kx N/m Hệ số độ cứng dịch chuyển x0 Khe hở không khí giữa cực từ và rotor tại vị trí 46 m cân bằng 7
47 x m Độ dịch chuyển theo phương x 48 y m Độ dịch chuyển theo phương y 49 α rad Góc quay quanh trục x 50 𝛽 rad Góc quay quanh trục y 51 𝛺 rad/s Vận tốc góc rotor Độ dịch chuyển rotor theo phương x tại vị trí cảm 52 xas m biến phía ổ từ (HMB-A) Độ dịch chuyển rotor theo phương y tại vị trí cảm 53 yas m biến phía ổ từ (HMB-A) Độ dịch chuyển rotor theo phương x tại vị trí cảm 54 xbs m biến phía ổ từ (HMB-B) Độ dịch chuyển rotor theo phương y tại vị trí cảm 55 ybs m biến phía ổ từ (HMB-B) Độ dịch chuyển rotor theo phương x tại vị trí ổ từ 56 xab m (HMB-A) Độ dịch chuyển rotor theo phương y tại vị trí ổ từ 57 yab m (HMB-A) Độ dịch chuyển rotor theo phương x tại vị trí ổ từ 58 xbb m (HMB-B) Độ dịch chuyển rotor theo phương y tại vị trí ổ từ 59 ybb m (HMB-B) 60 s m Khoảng cách từ tâm rotor tới vị trí cảm biến 61 b m Khoảng cách từ tâm rotor tới ổ từ f Ma trận lực từ tác dụng của (HMB-A và HMB-B) 62 N lên hai đầu rotor Lực từ theo phương x tác dụng lên rotor của ổ từ 63 Fax N (HMB-A) Lực từ theo phương y tác dụng lên rotor của ổ từ 64 Fay N (HMB-A) Lực từ theo phương x tác dụng lên rotor của ổ từ 65 Fbx N (HMB-B) Lực từ theo phương y tác dụng lên rotor của ổ từ 66 Fby N (HMB-B) 67 Ix kgm2 Momen quán tính rotor theo trục x 8
68 Iy kgm2 Momen quán tính rotor theo trục y 69 Iz kgm2 Momen quán tính rotor theo trục z 70 P,D Ma trận hệ số bộ điều khiển PD 71 Pco Hệ số P chuyển động quay 72 Ppa Hệ số P chuyển động tịnh tiến 73 Dco Hệ số D chuyển động quay 74 Dpa Hệ số D chuyển động tịnh tiến 75 m kg Khối lượng của rotor Ma trận gồm hai thành phần khối lượng (m) và 76 M momen quán tính của rotor 77 G Ma trận con quay hồi chuyển 78 q Tọa độ tâm rotor 79 qs m Độ dịch chuyển của rotor tại vị trí cảm biến Độ dịch chuyển của rotor tại vị trí ổ từ (HMB-A 80 qb m và HMB-B) 81 q0 Vector trạng thái ban đầu của rotor 82 T Ma trận chuyển đổi vị trí 83 B Ma trận chuyển đổi lực 84 Ki N/A Ma trận độ cứng dòng điện 85 Ks N/m Ma trận độ cứng dịch chuyển 86 k ai N/A Độ cứng dòng điện của ổ từ (HMB-A) 87 kbi N/A Độ cứng dòng điện của ổ từ (HMB-B) 88 kas N/m Độ cứng dịch chuyển của ổ từ (HMB-A) 9
89 kbs N/m Độ cứng dịch chuyển của ổ từ (HMB-B) 90 i A Dòng điện điều khiển ổ từ Dòng điện điều khiển ổ từ (HMB-A) và (HMB- 91 iax , ibx A B) theo phương x Dòng điện điều khiển ổ từ (HMB-A) và (HMB- 92 iay , iby A B) theo phương y 93 Kns N/m Ma trận độ cứng dịch chuyển âm 94 Tout Ma trận phân bố lực Tin Ma trận biến đổi tọa độ tại vị trí cảm biến sang 95 tọa độ tâm rotor 96 K cs  N/m Ma trận của thành phần bổ sung 97 D N Thành phần nhiễu không xác định d1 , d 2 , 98 N Thành phần nhiễu không xác định d3 , d4 s1 , s 2 , 99 Mặt trượt của phương pháp điều khiển trượt s3 , s4 100  ,k,c Ma trận hệ số bộ điều khiển trượt 101 1 ,  2 ,  3 ,  4 Hệ số bộ điều khiển trượt 102 k1 , k 2 , k3 , k 4 Hệ số bộ điều khiển trượt 103 c1 , c2 , c3 , c4 Hệ số bộ điều khiển trượt Tín hiệu dòng điện điều khiển phương pháp điều 104 U A khiển phương pháp điều khiển trượt u1 , u 2 , Tín hiệu dòng điện điều khiển phương pháp điều 105 A u3 , u4 khiển phương pháp điều khiển trượt 106 e Sai lệch của phương pháp điều khiển trượt 107 er m Độ lệch tâm của rotor 108 mn kg Khối lượng quả nặng 10
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số cơ bản của cực từ kiểu lai ........................................................ 29 Bảng 2.2 Thông số cơ bản của ổ từ kiểu lai khe phân cách .................................... 51 Bảng 2.3 Thông số so sánh hai loại ổ từ kiểu lai ..................................................... 57 Bảng 3.1 Giá trị các thông số mô hình ổ từ kiểu lai khe phân cách ........................ 70 Bảng 3.2 Tham số điều khiển PD ............................................................................ 71 Bảng 3.3 Tham số điều khiển trượt ......................................................................... 81 Bảng 4.1 Thông số cơ bản mô hình thực nghiệm hệ ổ từ kiểu lai khe phân cách ... 97 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo ổ bi ................................................................................................ 18 Hình 1.2 Cấu tạo ổ từ................................................................................................ 19 Hình 1.3 Cấu tạo ổ từ bị động dạng đẩy ................................................................... 19 Hình 1.4 Cấu tạo ổ từ chủ động ................................................................................ 20 Hình 1.5 Cấu tạo ổ từ kiểu lai................................................................................... 21 Hình 1.6 Số lượng cực từ của ổ từ kiểu lai ............................................................... 22 Hình 1.7 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 1 ..................................................................... 22 Hình 1.8 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 2 ..................................................................... 23 Hình 1.9 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 3 ..................................................................... 24 Hình 2.1 Cấu trúc ổ từ HMB không có khe hở phụ ................................................. 28 Hình 2.2 Mô hình cực từ kiểu lai không có khe hở phụ ........................................... 29 Hình 2.3 Điều kiện biên............................................................................................ 30 Hình 2.4 Chia lưới mô hình cực từ kiểu lai không có khe hở phụ ........................... 31 Hình 2.5 Phân bố lực từ tác dụng lên rotor .............................................................. 31 Hình 2.6 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện .................................................. 32 Hình 2.7 Cực từ gồm nam châm điện và nam châm vĩnh cửu ................................. 32 Hình 2.8 Phân bố lực từ tác dụng lên rotor .............................................................. 33 Hình 2.9 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện .................................................. 33 Hình 2.10 Tổng hợp lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện ................................. 34 Hình 2.11 Mô tả phân bố mật độ từ cảm .................................................................. 35 Hình 2.12 Đường đặc tính H-B của thép steel_1008 ............................................... 35 Hình 2.13 Mô hình cực từ lai có khe hở phụ ............................................................ 36 11
Hình 2.14 Mạch từ tương đương do nam châm vĩnh cửu sinh ra............................. 37 Hình 2.15 Mạch từ tương đương do nam châm điện sinh ra .................................... 38 Hình 2.16 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện (EMCM) ................................ 39 Hình 2.17 Phân bố lực từ tác dụng lên rotor ............................................................ 40 Hình 2.18 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện (FEM) .................................... 40 Hình 2.19 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện (EMCM & FEM) ................... 41 Hình 2.20 Lực từ tác dụng lên rotor theo dòng điện ................................................ 42 Hình 2.21 Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách ....................................................... 43 Hình 2.22 Rotor dịch chuyển lên một khoảng x theo chiều (+x) ............................. 44 Hình 2.23 Từ thông ổ từ kiểu lai khe phân cách ...................................................... 45 Hình 2.24 Mạch từ phần cực từ ở giữa ..................................................................... 45 Hình 2.25 Mạch từ phần cực từ bên ngoài ............................................................... 47 Hình 2.26 Mô phỏng phần tử hữu hạn 3D cho ổ từ kiểu lai khe phân cách ............. 52 Hình 2.27 Lực hút của cực từ phía trên lên rotor ứng với x=-0.4mm ...................... 52 Hình 2.28 Lực hướng tâm biến đổi theo độ dịch chuyển rotor ................................ 53 Hình 2.29 Lực hướng tâm biến đổi theo dòng điện điều khiển ................................ 54 Hình 2.30 Cấu trúc hai kiểu ổ từ kiểu lai mới đề xuất ............................................. 55 Hình 2.31 Lực tác tác dụng theo độ dịch chuyển của hai loại ổ từ .......................... 56 Hình 2.32 Lực tác tác dụng theo dòng điện của hai loại ổ từ ................................... 56 Hình 3.1 Hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách ........................................................ 59 Hình 3.2 Sơ đồ thông số hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách ................................ 60 Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển ổ từ kiểu lai khe phân cách........................................ 65 Hình 3.4 Tập hợp trị riêng với 𝛺 từ 0-11400 vòng/phút .......................................... 71 Hình 3.5 Chuyển động tịnh tiến của rotor khi 𝛺=0 .................................................. 72 Hình 3.6 Chuyển động quay của rotor khi 𝛺=0 ....................................................... 72 Hình 3.7 Chuyển động tịnh tiến và quay của rotor khi 𝛺=0 .................................... 73 Hình 3.8 Chuyển động quay của rotor khi 𝛺=6000 vòng/phút ................................ 74 Hình 3.9 Chuyển động quay của rotor khi 𝛺=10500 vòng/phút .............................. 74 Hình 3.10 Độ thị hàm Sigmoid(s) đã chọn ............................................................... 81 Hình 3.11: Đồ thị quan hệ giữa sai lệch và đạo hàm sai lệch .................................. 82 Hình 3.12 Chuyển động tịnh tiến của rotor theo trục x ............................................ 83 Hình 3.13 Chuyển động của rotor (khi chỉ có tải trọng rotor).................................. 84 Hình 3.14 Chuyển động tịnh tiến của rotor theo trục x (khi treo thêm vật nặng) .... 85 12
Hình 3.15 Chuyển động của rotor khi 𝛺=10500 vòng/phút .................................... 86 Hình 4.1 Cấu trúc mô hình thực nghiệm hệ ổ từ kiểu lai khe phân cách ................. 88 Hình 4.2 Cơ cấu chấp hành của hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách ..................... 89 Hình 4.3 Stator ổ từ kiểu lai khe phân cách ............................................................. 90 Hình 4.4 Cấu tạo cực từ ổ từ kiểu lai khe phân cách................................................ 90 Hình 4.5 Rotor hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách ............................................... 91 Hình 4.6 Cơ cấu chấp hành hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách đã chế tạo .......... 91 Hình 4.7 Sơ đồ mô tả hệ thống điều khiển cho ổ từ kiểu lai khe phân cách ............ 92 Hình 4.8 Mạch cầu H của bộ biến đổi công suất ...................................................... 93 Hình 4.9 Mạch vòng điều khiển dòng điện của bộ biến đổi ..................................... 95 Hình 4.10 Sản phẩm bộ biến đổi công suất .............................................................. 95 Hình 4.11 Đầu đo cảm biến khoảng cách ................................................................. 96 Hình 4.12 Mô hình thực nghiệm hệ ổ từ kiểu lai khe phân cách 4 bậc tự do........... 97 Hình 4.13 Độ dịch chuyển rotor khi khởi động nâng rotor ...................................... 98 Hình 4.14 Độ dịch chuyển rotor khi rotor quay từ 0 tới 7000 vòng/phút ................ 99 Hình 4.15 Thực nghiệm thay đổi tải trọng ............................................................. 100 Hình 4.16 Độ dịch chuyển rotor khi thay đổi tải trọng .......................................... 101 Hình 4.17 Độ dịch chuyển rotor khi nhiễu lực tác động ........................................ 102 13
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ổ đỡ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường. Ứng dụng điển hình đầu tiên của ổ đỡ từ là đầu những năm 1970 cho hệ thống định hướng vệ tinh và bộ ổn định con quay hồi chuyển trong không gian. Ưu điểm đặc biệt của ổ đỡ từ trong các ứng dụng này là độ chính xác và tuổi thọ lâu dài. Kể từ đó, ổ đỡ từ ngày càng trở nên phổ biến để sử dụng trong các máy móc công nghiệp. Những ứng dụng điển hình thành công nhất là trong máy bơm phân tử tuabin, máy phát điện tăng áp, máy nén tuabin… Những máy này thường chạy ở tốc độ rất cao do đó những rung động của rotor sẽ chuyển thành hiện tượng cộng hưởng nếu sử dụng ổ đỡ thông thường. Tuy nhiên, nếu sử dụng ổ đỡ từ tính, điều khiển chủ động có thể được sử dụng để triệt tiêu những rung động này, dẫn đến tăng tính an toàn và hiệu quả. Một ứng dụng thú vị khác là các trục máy phay và mài tốc độ cao. rotor không phải lúc nào cũng hướng tâm trong stator mà được điều khiển tuân theo những quỹ đạo nhất định để gia công các bộ phận không đối xứng mà chỉ có ổ từ mới có khả năng kiểm soát được. Bên cạnh những ứng dụng trên, ổ đỡ từ còn thấy trong máy bơm máu, máy ly tâm, bánh đà tích trữ năng lượng, thiết bị tia X và gần đây là trong tuabin khí thuộc lĩnh vực hàng không. Với những ưu điểm vượt trội khó thay thế và tiềm năng phát triển ứng dụng rộng rãi nhưng hệ thống ổ từ đại diện cho một hệ thống cơ điện phức tạp, cần có nhiều hoạt động nghiên cứu và phát triển. Những nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, truyền động điện tử công suất, thiết kế bộ điều khiển để khắc phục những hạn chế tồn tại và phát triển một hệ thống ổ từ có hiệu suất và chất lượng cao. Ổ từ theo thành phần cấu tạo được chia làm ba loại, ổ từ bị động cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu, ổ từ chủ động cấu tạo bởi nam châm điện và ổ từ kiểu lai cấu tạo kết hợp nam châm điện và nam châm vĩnh cửu. Bởi vì có cấu tạo kết hợp nên ổ từ kiểu lai đã tổng hợp được các ưu điểm của cả hai loại ổ từ còn lại. Đó là tận dụng lực nâng sẵn có của nam châm vĩnh cửu để tiết kiệm năng lượng điện từ cần cung cấp đồng thời vẫn có khả năng điều khiển linh hoạt nhờ tác động điều khiển qua nam châm điện. Tuy nhiên có cấu tạo kết hợp của hai loại nam châm nên ổ từ kiểu lai tồn tại xen kênh của từ thông và nguy cơ bão hòa từ trong mạch từ dẫn đến tổn hao 14
năng lượng từ trường đồng thời gây khó khăn trong quá trình điều khiển. Vì vậy trong luận án này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng ổ từ kiểu lai. Cụ thể sẽ tiến hành nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp để giải quyết những tồn tại bên trên. Nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, tăng khả năng chịu tải và dễ dàng điều khiển cho ổ từ kiểu lai. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: ổ từ kiểu lai, loại ổ từ tích hợp nam châm vĩnh cửu và nam châm điện. Phạm vi nghiên cứu: thiết kế cấu tạo, xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển thích hợp cho ổ từ kiểu lai. 3. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đảm bảo giảm ảnh hưởng xen kênh, giảm ảnh hưởng bão hòa từ, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng điều khiển. Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc mới. 4. Phương pháp nghiên cứu Từ nghiên cứu lý thuyết đến mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo và phương pháp điều khiển của ổ từ kiểu lai để lựa chọn cấu trúc ổ từ kiểu lai có nhiều ưu điểm và phương pháp điều khiển phù hợp. Áp dụng phương pháp mạch từ tương đương, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để tính toán mô phỏng cấu trúc ổ từ kiểu lai. Xây dựng mô hình toán học ổ từ kiểu lai, thiết kế bộ điều khiển phù hợp và mô phỏng điều khiển trên Matlab. Cuối cùng tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng. 5. Những đóng góp mới của luận án - Nghiên cứu và phát triển thành công một cấu trúc ổ từ kiểu lai mới (ổ từ kiểu lai khe phân cách), thỏa mãn các tiêu chí không xen kênh từ thông, giảm từ trường tản, mở rộng đường dẫn từ thông, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng điều khiển. - Xây dựng được mô hình toán học cho ổ từ kiểu lai khe phân cách, trong mô hình toán học có tính đến ảnh hưởng của tốc độ quay của rotor. - Xây dựng được hệ điều khiển tuyến tính và phi tuyến đảm bảo hoạt động ổn định của ổ từ kiểu lai có khe phân cách. 15
+ Bộ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tâm rotor được thiết kế. Trong đó thành phần điều khiển chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của rotor được phân tách với nhau. + Bộ điều khiển phi tuyến (điều khiển trượt) được thiết kế với hàm dấu Sgn được thay thế bằng hàm Sigmoid đã giảm thiểu hiện tượng rung (chattering) của phương pháp điều khiển trượt. - Xây dựng được mô hình hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách và thực hiện được thuật toán điều khiển PD trên nền tảng hệ thống ổ từ đã xây dựng. Kết quả hệ thống làm việc ổn định trong các điều kiện tốc độ khác nhau, không bị ảnh hưởng xen kênh chuyển động và ổn định với tác động nhiễu lực bên ngoài. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đã đưa ra được cơ sở lý thuyết về việc xây dựng mô hình ổ từ kiểu lai mới. Trong đó phần tính toán, thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm đã được trình bày tuần tự và khoa học, giúp người đọc dễ dàng tiếp cận với ổ từ kiểu lai. Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tượng tương tự. b) Ý nghĩa thực tiễn: Mô hình ổ từ kiểu lai mới đã nghiên cứu phát triển thành công với cơ sở lý thuyết khoa học và đã được kiểm chứng thông qua thực nghiệm. Đây là cơ sở để có thể ứng dụng sản xuất trong công nghiệp. 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án bao gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của ổ từ. Phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc khác nhau của ổ từ kiểu lai, từ đó đưa ra những cải tiến phù hợp để phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển cho ổ từ nói chung và ổ từ kiểu lai nói riêng, qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Chương 2: Phân tích tính toán chi tiết về dạng cấu trúc ổ từ kiểu lai đã được công bố và tìm ra những hạn chế tồn tại để đưa ra cải tiến mới. Tác giả đã so sánh hiệu quả của các cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đề xuất ở luận án này (ổ từ kiểu lai khe hở 16
phụ, ổ từ kiểu lai khe phân cách) với dạng ổ từ kiểu lai đã có thông qua hai phương pháp tính toán và mô phỏng. Hai phương pháp đó là: Phương pháp tính toán mạch từ tương đương (ECMC) và phương pháp mô phỏng phần từ hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS. Từ những tính toán và phân tích mô phỏng sẽ đưa ra những đánh giá về hiệu quả của cấu trúc ổ từ kiểu lai mới so với cấu trúc đã có để lựa chọn cấu trúc tối ưu. Bên cạnh đó thì những phân tích tính toán cũng được dùng làm cơ sở để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới ở chương tiếp theo. Chương 3: Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới bằng cách tách chuyển động hỗn hợp của rotor thành thành hai chế độ chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tại tâm của rotor. Từ đặc điểm của mô hình toán học đã xây dựng, phương pháp điều khiển phù hợp đã được chọn lựa để áp dụng. Ở đây là phương pháp điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tọa độ tâm của rotor và pháp điều khiển phi tuyến dựa trên bộ điều khiển trượt (SMC) đã được thiết kế. Chương 4: Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai mới với các thông số tính toán ở chương 2 và làm thực nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống. Phần kết luận: Đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Đưa ra đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. 17
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI 1.1 Khái niệm chung về ổ từ Trong các chuyển động quay, ổ bi là một bộ phận được dùng để đỡ trục và giảm ma sát giữa phần quay và phần không quay. Cấu tạo của ổ bi được mô tả trong Hình 1.1 dưới đây: Hình 1.1 Cấu tạo ổ bi Ổ bi là một bộ phận nhỏ tuy nhiên lại rất quan trọng đối với các hoạt động quay của thiết bị. Khi phải làm việc với tốc độ quay cao, trong môi trường bụi bẩn, khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao.., ổ bi gặp phải một số nhược điểm như: thường xuyên phải bôi trơn, bảo dưỡng, kiểm tra thay thế. Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc cả trong môi trường yêu cầu độ sạch cao. Xuất phát từ những khó khăn, nhược điểm mà ổ bi đang gặp phải, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế ổ bi và một trong số đó chính là ổ từ (Hình 1.2). Trong ổ từ, các cực từ tạo ra dụng lực từ để nâng rotor trong các chuyển động quay mà không có tiếp xúc cơ khí, lực ma sát gần như bằng không. Do đặc điểm nâng không tiếp xúc, công nghệ ổ từ đã đưa ra những ưu điểm nổi bật so với các loại ổ bi thông thường. Ổ từ không chỉ giúp tăng hiệu suất cho máy móc và thiết bị. Ổ từ còn có khả năng chịu tải lớn, tốc độ cao và cho phép làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, nhiệt độ quá thấp hoặc môi trường chân không.., khi mà các điều kiện về bôi trơn, bảo dưỡng là khó khăn. 18