intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn: NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:104

Thêm vào BST
Báo xấu
188
lượt xem 36
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH TRẦN THỊ THANH NGA THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH Học viên : Trần Thị Thanh Nga Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Như Hiển THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  3. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh sách các kí hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Nội dung Trang CHƯƠNG I 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1 1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ 1 1.1.2 Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính 4 1.1.3 Giới thiệu cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ 5 được trang bị các ổ đỡ từ tính. 1.1.4 Giới thiệu hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 7 1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc 8 1.1.6 Cấu trúc của cuộn dây 15 1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ 16 1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp của động cơ và máy phát kiểu treo từ tính 17 1.2 Một số công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển các hệ phi tuyến 18 1.3 Các công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển ổ từ 19 KẾT LUẬN 21 CHƯƠNG 2 22 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 2.1 Mô hình toán học của bộ treo từ tính 22 2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  4. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 2.1.2 Các mối quan hệ cơ bản 24 2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai 27 2.1.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 28 2.1.5 Ổ từ chịu tải hướng tâm (ổ đỡ từ) 29 2.1.6 Mô ta toan hoc ô đơ tư ̉́ ̣̉̃̀ 31 2.2 Các tính chất điều khiển được của bộ treo từ tính 36 2.2.1 Lực kéo không cân bằng 36 2.2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản 36 2.2.1.2 Phép phân tích trong lõi từ hình C và lõi từ hình chữ I 37 2.2.1.3 Phép phân tích trong ổ đỡ từ 38 2.2.2 Các nguyên tắc điêu khiên ô đơ tư một kênh ̀ ̉̉̃̀ 39 KẾT LUẬN 42 CHƯƠNG 3 43 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 3.1 Thiết kế các bộ điều khiển PID 43 3.1.1 Một vài nét về thuật toán điều chỉnh PID 43 3.1.2 Cấu trúc chung của hệ điều khiển tự động 43 3.1.2.1 Thành phần tỷ lệ 45 3.1.2.2 Thành phần tích phân 45 3.1.2.3 Thành phần vi phân 46 3.1.3 Hệ giảm chấn - khối lượng – lò xo tương đương 47 3.1.4 Điều chỉnh của các hệ số khuyếch đại PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) 50 3.1.4.1 Điều chỉnh hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 54 3.1.4.2 Sai sô vị trí ở trạng thái ổn định và điều chỉnh hệ số khuyếch đại tích phân6 ́ 5 3.2 Thiết kế bộ điều khiển nâng cao - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai F-PID 61 3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển mờ 61 3.2.2 Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 62 3.2.3 Nguyên lý điều khiển mờ 65 3.2.4 Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  5. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 3.2.5 Các bộ điều khiển mờ 70 3.2.5.1 Các bộ điều khiển kinh điển 70 71 3.2.5.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 3.2.5.3 Bộ điều khiển mờ động 74 3.2.5.4 Hệ điều khiển mờ lai (F - PID) 79 a. Giới thiệu chung 79 b. Các dạng hệ mờ lai phổ biến 81 3.2.5.5 Tổng hợp hệ điều khiển mờ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển 82 3.3 Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 84 3.3.1 Mô phỏng với bộ điều khiển PID 84 3.3.2 Mô phỏng với bộ điều khiển nâng cao 85 KẾT LUẬN 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang CHƯƠNG I 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ Sự tạo ra lực từ hƣớng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: Hình 1.1 3 a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng Sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc Hình 1.2 4 Động cơ với các ổ đỡ từ Hình 1.3 6 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc Hình 1.4 8 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ Hình 1.5 8 Bộ treo chủ động theo 2 trục: Hình 1.6 9 a.điểm đỡ trục tại đáy b. không có tiếp xúc Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng Hình 1.7 10 a. Rotor bên trong b. Rotor ngoài c. Rotor rỗng d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thƣờng Hình 1.8 11 a. với ổ đỡ từ thông thƣờng b. với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng c. với trục quay dài Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống Hình 1.9 12 CHƢƠNG 2 22 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ Hệ thống từ treo Hình 2.1 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  7. Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm Hình 2.2 24 Mạch từ hoá Hình 2.3 26 Cơ cấu điều chỉnh vi sai Hình 2.4 28 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt Hình 2.5 29 Ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm Hình 2.6 30 Mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và dòng điện Hình 2.7 32 Mối quan hệ tuyến tính của lực hƣớng tâm với dòng điện phân cực Hình 2.8 33 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện Hình 2.9 34 Sơ đồ câu truc của một hệ thống từ treo ́ ́ Hình 2.10 34 sử dụng năng lƣợng từ theo môt phƣơng ̣ Sơ đô câu truc rut gon ̀́ ́ ́ ̣ Hình 2.11 35 Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc khe Hình 2.12 37 hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống Hệ thống treo tƣ tí nh theo phƣơng x ̀ Hình 2.13 39 CHƯƠNG 3 43 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động Hình 3.1 44 Hệ thống giảm chấn - khối lƣợng – lò xo Hình 3.2 47 a. Sơ đồ cấu tạo b. Sơ đồ khối Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn-khối Hình 3.3 49 lƣợng – lò xo Đáp ứng chuyển vị tƣơng ứng với lực nhiễu 1N Hình 3.4 Hình 3.4 a. Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kp 52 Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kd Hình 3.4 b 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  8. Hình 3.4 c. Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kp 53 Hình 3.4 d. Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kd 54 Các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân Hình 3.5 55 Đáp ứng chuyển vị đối với các hệ số khuyếch đại PD tối ƣu hoá. Hình 3.6 56 Bộ điều khiển PID: (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số Hình 3.7 57 Đáp ứng của thay đổi bậc trong tha m khảo vị trí Hình 3.8 58 Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID Hình 3.9 59 Đáp ứng chuyển vị đối với Ki Hình 3.10 60 Hình 3.11 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63 Hệ thống điều khiển mờ Hình 3.12 65 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ Hình 3.13 67 Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ Hình 3.14 72 Đƣờng đặc tính y(x) cho trƣớc Hình 3.15 74 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. Hình 3.16 74 Hệ điều khiển mờ theo luật I Hình 3.17 75 Mô hình điều khiển mờ theo luật PI Hình 3.18a 75 Mô hình điều khiển mờ theo luật PI Hình 3.18a 76 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD Hình 3.19 76 Bộ điều khiển mờ theo luật PID(dùng thuật toán chỉnh định PID mờ) Hình 3.20a 77 Bộ điều khiển mờ theo luật PI (dùng thuật toán PID tốc độ) Hình 3.20b 78 Hệ điều khiển mờ PID Hình 3.21 78 Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ Hình 3.22a 80 Hệ mờ với bộ mờ cho tín hiệu chủ đạo x Hình 3.22b 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  9. Cấu trúc hệ mờ lai Cascade Hình 3.23 81 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ Hình 3.24 82 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào Hình 3.25 83 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra Hình 3.26 83 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai Hình 3.27 83 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ. Hình 3.28 84 Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển Hình 3.29 85 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x của ổ từ có sử dụng Hình 3.30 85 bộ PID kinh điển Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID Hình 3.31 86 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng hệ điều Hình 3.32 86 khiển mờ lai F-PID Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng bộ PID kinh điển và hệ điều Hình 3.33 87 khiển mờ lai F-PID Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng bộ điều Hình 3.34 87 khiển PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  10. LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Hầu hết trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng như đối với môi trường có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không và phải được thay thế định kỳ, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay cuôc cach mang khoa hoc ,̣ ́ ̣ ̣ kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão , không ngưng vươn tới những đỉnh ̀ cao mơi, trong đo co nhưng thanh tưu vê ky thuât tư đông hoa san xuât iệc sử dụng hệ ́ ́́ ̃ ̀ ̣ ̀̃ ̣̣̣ ́ ̉ .V́ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ với các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Phần quan trọng của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có tính phi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian chưa được nghiên cứu và phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  11. triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển thích nghi bền vững cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ treo từ tính là cấp thiết. Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả Trần Thị Thanh Nga Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  12. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ Khái niệm về ổ từ đã có từ hơn 100 năm trƣớc, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong công nghiệp . Ý tƣởng về việc treo một đối tƣợng bằng từ trƣờng đã đƣợc đặt ra từ giữa những năm 1800. Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế đã trở lên hiện thực từ những năm 1960. Do sƣ phát triển trong công nghệ điều khiển , cả về phần cứng lẫn phần mềm đã tạo ̣ cơ hội cho viêc sƣ dung ô tƣ trong công nghiệp phát triển nhƣ làm giảm kích cỡ , độ ̣ ̣̉ ̉̀ phức tạp cũng nhƣ giá thành của nó. Vào những năm cuối của thập kỉ 80, khái niệm mới về ổ đỡ không tiếp xúc đã đƣợc đƣa vào công nghệ truyền động động cơ không đồng bộ. Từ đó đến nay, lí thuyết và kiến thức cơ bản về khái niệm này đã đƣợc nghiên cứu cùng với rất việc phát triển nhiều truyền động thử nghiệm với mục đích thu thập kinh nghiệm về sự hoạt động và hành vi của nhiều loại truyền động động cơ không đồng bộ ổ đỡ không tiếp xúc. Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã đƣợc phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ƣu thế vƣợt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều nhƣ: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dƣỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng nhƣ đối với môi trƣờng có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng đƣợc trong các điều kiện nhƣ chân không, nhiệt độ khí quyển quá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  13. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 2 cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dƣợc phẩm. Do đó , các “bộ treo” từ tính có thể mở rộng phạm vi ứng dụng . Hầu hết yêu cầu về bảo dƣỡn g trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng đƣợc chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh. Dầu bôi trơn phải đƣợc thay thế định kỳ. Ổ đỡ cũng cần phải đƣợc thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Nếu nhƣ trục đƣợc treo bởi một lực từ, những yêu cầu bảo hành này sẽ không cần thiết. Do vậy tiến tới sử dụng “ổ đỡ không tiếp xúc” có nhiều ƣu thế cho ngƣời sử dụng động cơ. Các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ đƣợc bào mòn do ma sát) gia công đối với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Cũng cần chú ý rằng bộ treo từ tính yêu cầu thời gian cắt mẫu n gắn một cách cân xứng với truyền động động cơ. Yêu cầu này là do bộ treo từ tính không ổn định một cách cố hữu do đó cần thiết có các bộ điều khiển vi sai hoặc điều khiển sớm phase để thực hiện hệ thống treo từ tính ổn định. Để đạt đƣợc giới hạn phase tại tần số cắt cần phải có tần số cắt mẫu nhanh. Yêu cầu về tần số cắt mẫu phụ thuộc vào quán tính cơ khí và sự khó khăn trong thiết kế. Động cơ ổ đỡ không tiếp xúc thƣờng tận dụng lợi thế của từ trƣờng tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây của động cơ. Do đó, có đƣợc thông tin về từ trƣờng quay này là rất quan trọng. Các bộ điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển véc tơ cung cấp sự điều chỉnh mô men tức thời cũng nhƣ điều chỉnh từ trƣờng quay. Do đó vị trí góc quay và cƣờng độ từ trƣờng có thể điều chỉnh đƣợc. Dựa trên vị trí góc và cƣờng độ từ trƣờng của động cơ, các lực hƣớng tâm đƣợc phát ra bởi sự tạo thêm các từ trƣờng sử dụng dòng điện cuộn dây của bộ treo. Do vậy có thể nói rằng công nghệ ổ đỡ không tiếp xúc đứng trên lí thuyết điều khiển véc tơ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  14. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 3 Câu t ạo và nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ tƣơng tự nhƣ một động cơ điện . Tuy ́ nhiên, thay vì tạo ra momen xoắn để quay rôtor nhƣ ơ đông cơ điên , nó tạo ra một ̣̉ ̣ lực để treo ngõng trục trong lòng ổ. Khoảng cách giữa ngõng trục và lót ổ thông thƣờng khoảng 0,5-2 mm Hình vẽ 1.1 chỉ ra các nguyên lý sự phát ra lực hƣớng tâm roto của hai trƣờng hợp động cơ ổ đỡ không tiếp xúc và động cơ ổ đỡ từ tính. Hình 1.1 - Sự tạo ra lực từ hướng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng Một trục quay sẽ đƣợc bao bọc bởi lõi của stato. Roto và stato đƣợc từ hóa bởi bốn cực từ theo trình tự bắc, nam, bắc, nam. Có những lực hấp dẫn từ tính rất mạnh giữa lõi của roto và lõi của stato bên dƣới các cực từ này. Trong hình 1.1a, 4 cực từ có cùng mật độ từ thông và do đó có cùng biên độ lực hấp dẫn . Nhƣ vậy là, tổng vector của 4 lực hƣớng tâ m này bằng 0. Ngƣợc lại, trong hình 1.1b một cực từ bắc thì mạnh hơn so với ba cực từ còn lại nên nó có lực hƣớng tâm mạnh hơn. Sự phân bố mật độ từ thông khe hở không cân bằng này dẫn đến lực từ hƣớng tâm sẽ tác động vào roto. Trong trƣờng hợp này, lực hƣớng tâm roto tác động vào roto từ phía tay phải. Trong cả 2 trƣờng hợp động cơ có ổ đỡ từ tính và động cơ không ổ đỡ, lực hƣớng tâm roto đƣợc tạo bởi trƣờng điện từ không cân bằng tức là lực hƣớng tâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  15. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 4 roto đƣợc tạo ra bởi sự khác biệt của lực hƣớng tâm dƣớ i các cực từ. Lực hấp dẫn thì không ổn định vì nó sẽ mạnh hơn lên nếu nhƣ roto dịch chuyển theo chiều của lực. Điểm lực hƣớng tâm bằng 0 tại trọng tâm của nòng stato là một điểm không ổn định, do đó cần thiết có phản hồi âm. Ứng dụng công ngh ệ truyền động lực treo từ tính trong tàu điện đệm từ của Nhật, lực treo từ tính đƣợc tạo ra bởi sự tƣơng tác giữa từ thông của cuộn dây siêu dẫn và dòng điện của cuộn dây cảm ứng. Có nghĩa là không cần thiết một bộ điều khiển phản hồi âm. Trong một vài ứng dụng của bánh đà, vật liệu siêu dẫn đƣợc sử dụng nhƣ là các ổ đỡ từ tính. Những cuộn dây hoặc vật liệu siêu dẫn này cung cấp một đệm từ ổn định. Tuy nhiên giá thành thì tƣơng đối cao bởi chúng cần đến một hệ thống làm lạnh và cách nhiệt. Ngày nay, yêu cầu đối với các giải pháp cho các thiết bị lực từ tính hấp dẫn của bộ treo từ tính cần phải đơn giản, trọng lƣợng nhỏ, rẻ tiền. 1.1.2. Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ đƣợc bào mòn do ma sát) gia công đối với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, c ài đặt và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Hình 1.2 - Sơ đồ tượng trưng của một hệ truyền động không tiếp xúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  16. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 5 Hình 1.2 là sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng b ộ treo từ tính. Về nguyên lý, ổ đỡ bao gồm 2 phần chính: phần chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc tịnh tiến (rotor) và phần tĩnh (stator). Ở trên phần tĩnh có lắp đặt một số mạch từ để tạo ra lực từ tác dụng lên phần chuyển động của ổ. Các lực từ tác dụng lên phần chuyển động của ổ đƣợc điều khiển bởi hiệu điện thế hoặc cƣờng độ dòng điện đặt vào các cuộn dây của mạch từ. Dƣới tác dụng của lực tác động lên phần chuyển động của hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính, lực từ đƣợc tạo lên bởi các mạch từ tác dụng lên phần chuyển động này cần phải thay đổi một cách phù hợp để đảm bảo khe hở xác định giữa phần chuyển động và phần tĩnh của ổ đỡ. Thông thƣờng trong thực tế, việc xác định trƣớc cả về định lƣợng và quy luật thay đổi của các lực ngoại sinh là rất khó hoặc không t hể đƣợc. Hơn nữa, điều kiện làm việc của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính thay đổi dẫn đến việc xác định trƣớc các thông số của ổ là khó khăn. Ngoài ra động lực học của hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là phi tuyến cả về cơ và điện, nghĩa là quan hệ động giữa hiệu điện thế hoặc cƣờng độ dòng điện đặt vào các cuộn dây từ và lực từ tác dụng lên phần chuyển động đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến. Vì vậy, thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính đạt chất lƣợng cao là khó khăn và cần thiết trong các ứng dụng thực tế có sử dụng các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. 1.1.3 Giới thiệu cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ được trang bị các ổ đỡ từ tính. Hình 1.3 chỉ ra cấu trúc đặc trƣng của một hệ thống truyền động động cơ đƣợc trang bị các ổ đỡ từ tính. Động cơ sẽ đƣợc đặt giữa 2 ổ đỡ từ tính hƣớng tâm. Mỗi ổ đỡ từ tính hƣớng tâm sẽ tạo ra các lực hƣớng tâm trong 2 hệ trục tọa độ hƣớng tâm trực giao. Các lực hƣớng tâm này đƣợc điểu khiển bởi các hệ thống điều khiển có phản hồi âm do đó vị trí trục hƣớng tâm đƣợc điều chỉnh về trọng tâm của nòng stato. Ổ đỡ từ tính phía bên tay trái đƣợc điều chỉnh đối với 2 trục tọa độ x1 và y1. Ổ đỡ từ tính phía bên tay phải đƣợc điều chỉnh đối với 2 trục tọa độ x2 và y2. Sự xê Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  17. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 6 dịch vị trí theo trục z tức là theo hƣớng của trục quay, đƣợc điều chỉnh bởi những lực hƣớng trục phát ra bởi một ổ đỡ từ tính dịch chuyển. Tổng số có tất cả 5 hƣớng x1, y1, x2, y2, z chúng đƣợc điểu chỉnh bởi các hệ ổ đỡ từ tính. Mỗi một ổ đỡ từ tính có 4 cuộn dây ở stato : 2 cuộn dây đƣợc đặt theo trục x và 2 cuộn còn lại đặt theo trục y. Với một dòng điện trong một cuộn dây, một lực hút điện từ sẽ đƣợc tạo ra. Một lực hƣớng tâm theo hƣớng trục x đƣợc tạo ra bởi sự khác biệt giữa các lực hút điện từ tạo ra bởi các cuộn dây đặt theo trục x. Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ tính Hình 1.3 - Động cơ với các ổ đỡ từ Các dòng điện trong các cuộn dây của ổ đỡ từ tính sẽ đƣợ c điều chỉnh bởi các mạch điện tử công suất. Trong đa số các trƣờng hợp ngƣời ta sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp một pha. Mỗi bộ biến đổi nguồn 1 pha có thể điều chỉnh một dòng điện của 1 cuộn dây, do đó mỗi ổ đỡ từ tính cần có 4 bộ biến đổi tƣơng ứng vớ i 8 dây dẫn vào ra. Trong ổ đỡ từ tính dịch chuyển có 2 cuộn dây, do đó 2 bộ biến đổi 1 pha đƣợc kết nối để điều chỉnh các dòng điện của cuộn dây và phát ra lực hƣớng tâm theo hƣớng trục. Động cơ chịu trách nhiệm phát ra momen xoắn quanh trục z. Tốc độ qua y của trục đƣợc điều chỉnh bởi momen xoắn của động cơ. Một bộ biến đổi 3 pha đƣợc nối tới động cơ qua 3 dây dẫn với các cuộn dây của động cơ đƣợc nối theo hình sao hoặc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  18. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 7 tam giác. Bộ biến đổi cung cấp điện áp và tần số thay đổi đƣợc dựa theo tốc độ quay của trục và các yêu cầu về momen xoắn. Với đa số động cơ , tần số của bộ biến đổi tỉ lệ thuận với tốc độ và tỉ số điện áp / tần số thông thƣờng là hằng số cho tới vùng suy yếu của từ trƣờng. 1.1.4 Giới thiệu hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc Hình vẽ 1.4 giới thiệu cấu trúc của một hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc. Hai ổ đỡ không tiếp xúc đƣợc thiết kế trên cùng một trục truyền động. Mỗi thiết bị phát ra các lực hƣớng tâm cũng nhƣ các mô men quay. Thiết bị ổ đỡ không tiếp xúc phía bên trái có hệ trục hƣớng tâm x1, y1; còn thiết bị phía bên phải có hệ trục hƣớng tâm x2,y2. Mô men truyền động tổng bằng hai lần mô men ƣớc tính của mỗi thiết bị bởi hai thiết bị này chia sẻ với nhau lƣợng mô men. Mỗi ổ đỡ không tiếp xúc có 3 đầu nối cho hệ thống treo và 3 đầu nối cho động cơ. Các cuộn dây pha tƣơng ứng phần động cơ của hai thiết bị đƣợc nối nối tiếp theo cách nối sao (Y) đƣợc hình thành với hai cuộn dây pha nối nối tiếp trong mỗi pha. Một bộ biến đổi 3 pha đơn lẻ đƣợc nối tới các cuộn dây nối nối tiếp của phần động cơ và cung cấp điện áp và tần số thay đổi đƣợc cho truyền động động cơ. Tại các đầu nối các cuộn dây của phần treo, 2 bộ biến đổi 3 pha độc lập đƣợc nối tới để cung cấp các dòng điện yêu cầu với mục đích phát ra các lực hƣớng tâm theo 4 hƣớng nhƣ đƣợc yêu cầu bởi các bộ điều khiển phản hồi âm và các sensor khoảng cách. Chúng ta có thể nhận thấy những lợi ích sau của truyền động ổ đỡ không tiếp xúc : - Gọn: trục quay ngắn dẫn tới tốc độ cao và hoạt động ổn định hơn. - Giá thành thấp: số lƣợng dây dẫn ít hơn. Số lƣợng của các bộ biến đổi ít. Các bộ biến đổi 3 pha giá thành rẻ cũng đƣợc sử dụng. - Công suất cao: truyền động ổ đỡ không tiếp xúc có thể sản sinh công suất gia tăng với cùng 1 chiều dài trục. Những lợi thế này đƣợc hiện thực hóa nhƣ là một kết quả của việc tích hợp ổ đỡ từ tính hƣớng trục và động cơ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  19. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 8 Cụm từ treo Cụm từ treo Ổ từ chặn y1 y2 z x2 x1 4 3 3 123 123 1234 Hình 1.4 - Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc Giới thiệu hình dạng bên ngoài của một ổ từ Hình 1.5 - Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ Hình vẽ 1.6(a,b) trình bày một bộ treo từ tính chủ động theo 2 trục. Trong hình 1.6a, một trục đƣợc chèn vào lõi của rô to. Bộ treo từ tính hai trục đƣợc thực hiện bởi các lực từ giữa roto và stato. Tại đáy của trục có đặt một ổ xoay để cố định vị trí hƣớng trục và hƣớng tâm của điểm cuối của trục. Cấu trúc này thích hợp cho các máy có trục thẳng đứng. Ở hình 1.6b, trục này bị loại bỏ. Việc tác động chỉ theo 2 trục cung cấp một bộ treo bị động với sự dao động và di động dọc theo trục quay. Do vậy, tồn tại một giới hạn về độ dài của lõi theo trục để thực hiện bộ treo bị động. Với thiết kế chính xác, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
  20. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ 9 các truyền động ổ đỡ không tiếp xúc giá rẻ và gọn nhẹ kiểu này đã từng đƣợc thực hiện. Hình 1.6 - Bộ treo chủ động theo 2 trục: (a) điểm đỡ trục tại đáy (b) không có tiếp xúc Hình vẽ 1.7(a-d) trình bày mặt cắt ngang và cách thực hiện bộ treo chủ động theo 5 hƣớng. Hai ổ đỡ không tiếp xúc cần thiết phải có để phát ra lực hƣớng tâm theo 4 hƣớng. Thêm một ổ đỡ từ dịch chuyển nhằm xác định vị trí của trục theo hƣớng thứ 5. Có 2 ro to trên trục tác động theo bộ đôi ở trong hình 1. 7a. Roto và trục quay bên trong 2 lõi stato. Các phụ tải dạng bơm và quạt nén có thể đƣợc gắn vào một đầu của trục. Trong hình 1.7b ro to nằm phía bên ngoài 2 stator. Cấu trúc này phù hợp cho các truyền động bánh đà nhƣ ổ đĩa DVD và các truyền động cho ổ đĩa cứng. Cấu trúc trong hình 1.7c là một biến thể của hình 1.7a với một trục rỗng cho phép dòng khí thổi qua. Ổ đỡ dịch chuyển dọc nằm giữa 2 ổ đỡ từ tính tạo nên 1 bộ treo đầy đủ theo 5 trục. Cấu trúc này phù hợp cho các hệ nhƣ đồng hồ đo lƣu lƣợng, bơm đóng hộp và spindle. Trục rỗng cũng có thể đƣợc sử dụng để lắp bánh xe. Trong hình 1.7 (a.c), một ổ đỡ từ dịch chuyển dọc trục quay đƣợc sử dụng, tuy nhiên nó không cần thiết trong vài trƣờng hợp nếu lực dọc trục quay nhỏ hoặc không yêu cầu việc xác định chính xác vị trí của trục. Trong các trƣờng hợp này việc xác định vị trí dọc trục có thể đƣợc thực hiện bởi bộ định vị bị động nhƣ trong hình 1.7d. Trong hình vẽ này, các roto của hai ổ đỡ từ tính bị hấp dẫn một cách tự nhiên đến các vị trí trung tâm của trục nhờ các lực từ. Bởi vì các ổ đỡ từ tính phát ra từ thông đáng kể, trục sẽ chịu đủ lực đàn hồi qua sự di động theo hƣớng trục để giữ cho truyền động ổn định theo hƣớng dọc trục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.09: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Quản Trị Kinh Doanh
81 tài liệu
1643 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2