(LUẬN văn THẠC sĩ) điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục​

Tính cấp thiết của đề tài Hệ truyền động điện ứng dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục, đang được coi là một ngành

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-o0o -

NGUYỄN BÁ BẮC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC

KHOA CHUYÊN MÔN

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Như Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Bá Bắc

Sinh ngày: 24 tháng 04 năm 1982

Học viên lớp cao học khóa K16 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Lạng Sơn – Lạng Sơn

Xin cam đoan luận văn “Điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc

trục trong hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục’’ do thầy giáo

PGS TS Nguyễn Như Hiển hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất

cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

HỌC VIÊN

Nguyễn Bá Bắc

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô ở Khoa Điện, phòng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp

đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu của bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu xót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế

HỌC VIÊN

Nguyễn Bá Bắc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

1 Khái quát chung 1

3 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 3

1.1 Mở đầu 3

1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ NCVC từ thông dọc trục 5

1.3 Các kiểu máy điện AFPM 6

1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ điện ĐB AFPM 8

1.2.2 Lựa chọn cấu hình động cơ AFPM 9

1.3.2 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ 10

1.3.3 Mô hình động cơ thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục động cơ 11

1.3.4 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ điện ĐB AFPM 13

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.4.1 Động cơ đồng bộ AFPM 14

1.4.2 Ổ đỡ từ 16

1.5 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn 22

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 22

1.6 Kết luận chương 1 24

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬUCÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC 25

2.1 Đặt vấn đề 25

2.2 Mô hình toán học nhiều biến của động cơ đồng bộ 28

2.2.1 Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ đồng bộ 28

2.2.2 Phương trình điện áp: 30

2.2.3 Phương trình từ thông: 31

2.2.5 Phương trình mô men 34

2.2.6 Mô hình toán học động cơ đồng bộ ba pha 36

2.2.7 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ theo định hướng từ trường trên tọa độ quay đồng bộ hai pha 37

2.3 Tính lực đẩy kéo thay thế cho ổ đỡ từ dọc trục 38

2.3.2 Mô hình thay thế của động cơ AFPM để tính lực đẩy kéo 38

2.4 Mô hình toán cho động cơ AFPM 42

2.4 Kết luận 43

Chương 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 45

3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ NCVC 45

3.2 Điều khiển dòng điện 46

3.4 Điều khiển tốc độ 52

3.5 Kết luận 55

CHƯƠNG 4 56

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 56

4.1 Số liệu để mô hình hóa: 56

4.2 Cấu trúc mô phỏng 56

4.3 Kết quả mô phỏng 58

3.3 Kết luận 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

1 Kết luận 60

2 Kiến nghị 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Động cơ điện - từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858, 1889

của N Tesla 4

Hình 1.2: Các modul cơ bản của động cơ AFPM 8

Hình 1.3: Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC 8

Hình 1.4: Mặt cắt mô hình động cơ điện thông dụng 10

Hình 1.5: Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động 11

Hình 1.6: Mặt cắt mô hình động cơ điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng trục 12

Hình 1.7: Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB) 13

Hình 1.8: Mặt cắt động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC 14

có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục 14

Hình 2.2: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ 25

Hình 2.2a: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 2 có tích hợp ổ từ 26

Hình 2.2b: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 1 có tích hợp ổ từ 26

Hình 2.3: Vector không gian và góc pha thời gian gần đúng của động cơ đồng bộ; 27 Hình 2.4: Mô hình xác định các từ thông móc vòng của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục nam châm vĩnh cửu 38

Hình 2.5: Sơ đồ thay thế cho mạch từ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục nam châm vĩnh cửu 39

Hình 2.6 : Mô hình toán học đầy đủ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích thích vĩnh cửu có tích hợp ổ từ dọc trục 43

Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC 45

Hình 3.2: Mạch vòng điều khiển dòng điện đã tách 47

Hình 3.3: Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục 50

Hình 3.4: Mạch vòng điều khiển tốc độ 52

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng điều khiển vectơ động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC 57

Hình 4.2: Đặc tính tốc độ 58

Hình 4.4: Đặc tính tốc độ và mômen tổng 58

Hình 4.5: Đặc tính lực đẩy kéo F1 và F2 59

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Khái quát chung

Trong các ngành công nghiệp, các hệ thống truyền động điện sử dụng động

cơ điện một chiều đang được thay thế bằng hệ thống truyền động điện sử dụng động

cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) Do đó, các hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP cũng phát triển mạnh mẽ và mang lại lợi ích kinh tế cao trong sản xuất Các hệ truyền động ĐCXCBP đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 80 của thế kỷ trước nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm vì hệ thống này có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm năng lượng; mômen mở máy lớn do vậy kéo được tải nặng khi khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng; có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ, ĐCXCBP có các loại đồng bộ và không đồng bộ Ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ là ổn định tốc độ cao, các chỉ tiêu năng lượng như hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao

Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu tổng quan động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu Trong điều kiện ràng buộc là hai đầu trục của động cơ sử dụng hai ổ đỡ từ Các ổ đỡ từ này chỉ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn được dịch chuyển dọc trục của rotor

2 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ truyền động điện ứng dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục, đang được coi là một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường Chúng góp phần mạnh

mẽ trong việc nâng cao tốc độ quay cho động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong những môi trường đặc biệt mà động cơ sử dụng vòng bi thông dụng không thể làm việc hoặc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao Những nghiên cứu về

ổ đỡ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát triển, hiện nay trước khả năng ứng dụng mạnh mẽ của động cơ điện dùng ổ đỡ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên

cứu về chế tạo động cơ điện dùng ổ đỡ từ và các ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển ổ đỡ từ được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám

và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là dogiá thành cao

Phần quan trọng của hệ truyền động điện ứng dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp hai ổ từ hướng tâm hai đầu trục là thiết kế điều khiển vectơ cho động cơ Trong phạm vi luận văn này coi hai ổ đỡ từ hướng tâm làm việc đúng theo chức năng danh định của nó Vì vậy nghiên cứu tập trung chính vào thiết kế các bộ điều khiển động cơ là chủ yếu

3 Cấu trúc của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG

HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ

1.1 Mở đầu

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, vi

xử lý và kỹ thuật máy tính, thì việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trở nên

dễ dàng và đạt được những chỉ tiêu chất lượng cao Trong các ngành công nghiệp, các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều đang được thay thế bằng hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) Do đó, các hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP cũng phát triển mạnh mẽ và mang lại lợi ích kinh tế cao trong sản xuất Các hệ truyền động ĐCXCBP đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm

80 của thế kỷ trước nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm vì

hệ thống này có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm năng lượng; mômen mở máy lớn do vậy kéo được tải nặng khi khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc

độ rộng; có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ, ĐCXCBP có các loại đồng bộ và không đồng bộ Ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ là ổn định tốc độ cao, các chỉ tiêu năng lượng như hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao

Trong chuyên đề này, tập trung nghiên cứu tổng quan động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu Trong điều kiện ràng buộc là hai đầu trục của động cơ sử dụng hai ổ đỡ từ Các ổ đỡ từ này chỉ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn được dịch chuyển dọc trục của rotor Để chặn dịch chuyển dọc trục của rotor khi quay, trong chuyên đề này đề xuất loại động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

có cấu tạo đặc biệt, vừa tạo ra mômen quay cho rotor vừa chặn được chuyển dịch dọc trục của nó Điều đó, không làm tăng kích thước của động cơ và cũng không phải sử dụng thêm thiết bị chặn cơ khí nào

Máy điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài, bắt đầu từ những thí nghiệm của Michael Faraday (1831) và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do các kĩ

sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho kích thước động

cơ nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, mang tính động học và có hiệu suất hơn

Các loại máy điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là động cơ điện không đồng bộ (KĐB), vì loại động cơ điện này có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ

Tuy nhiên, các động cơ điện đồng bộ (ĐB) do có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã được sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh với động cơ điện KĐB trong lĩnh vực truyền động điện Về ưu điểm, trước hết phải nói

là động cơ điện ĐB do được kích thích bằng dòng điện một chiều có thể làm việc với cos bằng 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ

số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm được tổn thất điện áp lưới và tổn hao công suất trên đường dây Ngoài ưu điểm chính đó, động cơ điện ĐB còn ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của động cơ chỉ

tỷ lệ với điện áp nguồn cung cấp (U), trong khi mômen của động cơ điện KĐB tỷ lệ với bình phương của điện áp nguồn cung cấp (U2)

Hình 1.1: Động cơ điện - từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858, 1889 của

Vì vậy, khi điện áp của lưới bị sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ điện ĐB lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất của động cơ điện ĐB cao hơn hiệu suất của động cơ điện KĐB vì động cơ điện ĐB có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn Nhược điểm của động cơ điện ĐB so với động cơ điện KĐB ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá thành cao (chủ yếu đối với máy điện đồng bộ cực lồi công suất lớn) Hơn nữa, việc mở máy động cơ điện đồng bộ cũng phức tạp và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện cung cấp

1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ NCVC từ thông dọc trục

Khi tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy điện cho thấy các máy điện đầu tiên

là các máy điện từ thông dọc trục (M Faraday, 1831, Nhà phát minh vô danh với các nam châm vĩnh cửu đầu tiên, 1832, W Ritchie, 1833, B Jacobi, 1834) Nguyên mẫu làm việc thô sơ đầu tiên của một máy điện từ thông dọc trục được ghi nhận là

có dạng hình đĩa của M Faraday (1831) Cấu tạo kiểu đĩa của các máy điện cũng xuất hiện trong các bằng sáng chế của N Tesla, chẳng hạn bằng sáng chế của Mỹ số

405 858 có tiêu đề Động cơ điện - từ và được xuất bản năm 1889 (hình 1.1).Tuy nhiên, không lâu sau khi T Davenport (1837) yêu cầu bảo hộ bằng sáng chế đầu tiên cho một máy điện từ thông hướng tâm, các máy điện từ thông hướng tâm thông dụng được chấp nhận rộng rãi như là cấu hình chủ đạo đối với các máy điện

Sự phát triển của máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (Axial Flux Permanent Magnet - AFPM) khá chậm so với các máy điện từ thông hướng tâm kích từ nam châm vĩnh cửu (Radial Flux Permanent Magnet - RFPM) nguyên nhân là do thiếu công nghệ chế tạo máy điện AFPM vì gặp phải các khó khăn như: Lực hấp dẫn từ tính dọc trục giữa stator và rotor lớn, chi phí cao liên quan đến chế tạo các lõi stator ghép bằng các lá thép và khó khăn trong lắp ráp máy

điện để giữ cho khe hở không khí đều,…mặt khác, mặc dù hệ thống kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) đầu tiên được áp dụng cho máy điện từ đầu những năm

1830, nhưng do chất lượng kém của các vật liệu từ cứng đã ngăn cản việc sử dụng NCVC Việc pát minh ra hợp kim Alnico vào năm 1931, barium ferrite vào những năm 1950 và đặc biệt là vật liệu đất hiếm neodymium-iron-boron (NdFeB) được thông báo vào năm 1983, đã cho phép sự trở lại của hệ thống kích từ NCVC Hiện tại, sự sẵn có của các vật liệu NCVC năng lượng cao (vật liệu đất hiếm neodymium-iron-boron (NdFeB)) là động lực cho việc khai thác các cấu trúc máy điện kích từ NCVC mới và vì vậy đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng máy điện AFPM Giá của các NCVC đất hiếm đã giảm mạnh trong thập kỷ cuối của thế

kỷ 20 Một khảo sát thị trường cho thấy rằng các NCVC NdFeB hiện nay có thể được mua ở vùng Viễn Đông với giá < U.S $20/kg Với sự sẵn có của các vật liệu NCVC giá cả ngày càng rẻ hơn, các máy điện AFPM có thể đóng một vai trò quan trọng hơn trong tương lai gần Ngày nay, máy điện AFPM đã trở thành đối tượng của nhiều nghiên cứu quan trọng khắp thế giới trong 30 năm qua và giờ đây có thể được xem như là một công nghệ chín muồi, bằng chứng là việc sử dụng chúng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, từ hàng tiêu dùng đến các ứng dụng công nghiệp cao và quân sự, từ các hệ thống năng lượng tái tạo đến vận tải, đó là những ứng dụng yêu cầu tính cực kỳ nhỏ gọn theo hướng trục đi đôi với mật độ mô men

và hiệu suất cao

1.3 Các kiểu máy điện AFPM

Về nguyên lý, mỗi kiểu của một máy điện từ thông hướng tâm (RFPM) sẽ có một phiên bản từ thông dọc trục tương ứng Thực tế, máy điện AFPM được giới hạn

ở ba kiểu sau:

- Các máy điện cổ góp một chiều kích từ NCVC;

- Các máy điện đồng bộ và một chiều không chổi than kích từ NCVC;

- Các máy điện không đồng bộ (máy điện cảm ứng)

Có thể phân biệt giữa máy điện một chiều có vành góp kích thích vĩnh cửu, máy điện một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu hay máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có những điểm khác nhau Máy điện một chiều không chổi than và máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo giống nhau nhưng khác nhau về nguyên lý hoạt động Dạng sóng sức điện động tạo ra bởi máy điện một chiều không chổi than có dạng hình thang

Các động cơ cổ góp một chiều AFPM vẫn là một lựa chọn linh hoạt và kinh tế cho một số ứng dụng công nghiệp, ứng dụng trong ô tô và thiết bị gia dụng nhất định như quạt gió, quạt thổi, xe điện cỡ nhỏ, dụng cụ điện máy, đồ gia dụng,…

Trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung chủ yếu vào loại động cơ đồng bộ

từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (gọi tắt là động cơ AFPM)

Cuối năm 1970 đầu năm 1980, đã xuất hiện nhiều cấu trúc mới của động cơ AFPM (Campbell, 1975; Leung and Chan, 1980; Weh et al., 1984) Từ đó cho đến nay, sự quan tâm đến động cơ điện AFPM tăng lên đáng kể và tìm thấy trong nhiều ứng dụng do ưu điểm của chúng so với các động cơ điện đồng bộ từ thông hướng tâm (động cơ RFPM) thông dụng Chẳng hạn như: Vì được kích thích vĩnh cửu nên chúng có hiệu suất lớn hơn do tổn thất ở mạch kích từ được loại bỏ, giảm đáng kể tổn thất ở rotor Hiệu suất của động cơ điện này vì vậy được cải thiện rất nhiều và mật độ công suất đạt được lớn Cấu trúc từ thông dọc trục có rất ít vật liệu lõi cho nên đạt được tỷ số mô men/ khối lượng cao Động cơ điện AFPM có các nam châm mỏng, do đó kích thước của chúng cũng nhỏ hơn so với các động cơ điện RFPM Kích thước và hình dạng là những tính năng quan trọng trong các ứng dụng khi không gian lắp đặt có nhiều hạn chế, vì vậy tính tương thích là rất quan trọng Tiếng

ồn và rung động chúng tạo ra ít hơn so với các máy điện thông thường, hơn nữa các khe hở không khí của chúng phẳng và dễ dàng điều chỉnh Những lợi ích này tạo cho động cơ AFPM nhiều ưu thế so với các máy điện thông dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau

Hình 1.2: Các modul cơ bản của động cơ AFPM

Về mặt cấu tạo, động cơ AFPM có những nét đặc biệt riêng, chẳng hạn modul stator bao gồm: Modul đơn (Hình 1.2) chỉ có một bộ dây quấn và modul kép

có hai bộ dây quấn chung một lõi và quay lưng vào nhau Rotor cũng tương tự, modul rotor đơn chỉ một mặt có nam châm vĩnh cửu và modul kép thì cả hai mặt đều có nam châm vĩnh cửu (hình 1.2)

1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ điện ĐB AFPM

Có nhiều cấu hình động cơ AFPM được phân chia chủ yếu dựa vào số lượng

và cách bố trí các modul stator và rotor, ví dụ như trên hình 1.3:

Hình 1.3: Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC a): Cấu trúc 1 rotor 1 stator; (b): Cấu trúc 1 rotor 2 stator; (c): Cấu trúc 2 rotor 1 stator;

(d): Cấu trúc nhiều tầng gồm 2 khối stator và 3 khối rotor

Cấu hình nào mà khả năng tạo mô men càng cao thì càng hấp dẫn Trên hình 1.3, giới thiệu bốn cấu hình cơ bản theo modul (modul stator và modul rotor) Mô men được tạo ra với cấu hình thứ tư (hình 1.3.d), được kết hợp bởi 5 modul (hai modul stator kép, hai modul rotor đơn và một modul rotor kép), lớn gấp đôi so với mômen của cấu hình thứ hai và thứ ba là những cấu hình gồm có 3 modul (hình

1.3c: một modul stator kép và hai modul rotor đơn) và hình 1.3b (hai modul stator đơn và một modul rotor kép), và lớn hơn 4 lần mômen được tạo ra ở cấu hình thứ nhất, (hình 1.3a (một modul stator đơn và một modul rotor đơn)

Cần chú ý rằng các cấu hình minh họa ở hình 1.3(b) và 1.3(c) có cùng khả năng tạo mô men và lựa chọn giữa hai cấu hình này phụ thuộc vào việc ứng dụng cần rotor bên trong hay rotor bên ngoài Một số soa sánh và ứng dụng như sau:

- Động cơ AFPM một tầng (một modul stator đơn và một modul rotor đơn) như 1.3a có các ứng dụng trong lực kéo công nghiệp, các truyền động điện cơ servo, quân sự, công nghiệp vận tải, và thang máy không hộp số vì cấu trúc nhỏ gọn và khả năng sinh mô men cao Nhược điểm cơ bản của máy điện này là lực dọc trục không cân bằng giữa stator và rotor, có thể vặn xoắn cấu trúc một cách dễ dàng Để đạt được mô men quay cực đại với lực dọc trục cực tiểu, có thể sử dụng một số phương pháp là: điều chỉnh các thành phần dòng điện dây quấn stator, các thành phần này được chiếu lên các hệ trục vuông góc tương ứng với các vị trí rotor; stator không rãnh; các phương án bố trí ổ đỡ phức tạp; đĩa rotor dầy hơn và dịch pha dòng điện,…

- Động cơ AFPM nhiều tầng bao gồm N modul stator và N+1 modul rotor trên cùng một trục cơ (Hình 1.3b,c,d) Dây quấn stator có thể được nối song song hoặc nối tiếp Cấu trúc nhiều tầng làm tăng mật độ mô men và mật độ công suất mà không làm tăng đường kính của máy điện Các động cơ AFPM nhiều tầng có thể dễ lắp ráp hơn so với động cơ RFPM do khe hở không khí của chúng phẳng

1.2.2 Lựa chọn cấu hình động cơ AFPM

Động cơ AFPM có các ưu điểm như: hiệu suất cao, tỉ lệ công suất trên kích thước lớn, mật độ công suất cao, tuổi thọ lớn, mô men quán tính nhỏ, dải tốc độ làm việc rộng, tỉ số momen/dòng điện lớn, ít nhiễu, bền vững,… Vì thế, động cơ AFPM

đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc

độ chất lượng cao như xe điện, robot công nghiệp, máy CNC, các thiết bị y tế, quay bánh đà trong các hệ tích trữ năng lượng và có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện,…

Khi có yêu cầu sử dụng động cơ AFPM cho truyền động quay tốc độ càng cao càng tốt như trục chính máy mài (tốc độ chỉ giới hạn của độ bền cơ học của đá mài) với yêu cầu tốc độ rất cao (>10.000 v/ph) hoặc khi sử dụng cho bơm khí heli lỏng nhiệt độ rất thấp (< 00c), thì phải sử dụng các ổ đỡ từ hướng tâm (vòng bi từ) hai đầu trục Như vậy, khi muốn quay trục rotor động cơ thì trước hết nó sẽ được nâng lên và không tiếp xúc với phần tĩnh như vòng bi cơ thông thường, điều đó sẽ xuất hiện chuyển động dọc trục của rotor Để chặn chuyển động dọc trục này, trong động cơ thông dụng phải sử dụng thêm ổ từ dọc trục Điều đó, làm cho cấu trúc hệ thống trở nên rất cồng kềnh Nhiều nghiên cứu gần đây, đã đưa ra mô hình tích hợp

ổ từ dọc trục vào dây cuốn stator động cơ nhằm giảm kích thước chung cho hệ thống Vì lý do đó, trong nghiên cứu này ta chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ AFPM có cấu trúc hai modul stator hai bên và một modul rotor kép ở giữa

Ngoài ra, các động cơ AFPM còn phân biệt với nhau qua một số đặc điểm về cấu tạo, chẳng hạn như: Modul rotor có các phiến nam châm hình dải quạt được gắn trên bề mặt hoặc chìm bên trong lõi, modul stator có sẻ rãnh hoặc không có rãnh, có lõi phần ứng hoặc không có lõi, dây quấn trên stator dạng vòng hoặc dạng trống, một tầng hoặc nhiều tầng,…

1.3.2 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ

Từ trước đến nay, các hệ truyền động thông dụng sử dụng các loại động cơ điện thông dụng tạo mô men quay trên trục, thường có các ổ đỡ hai đầu trục là các vòng bi (ổ đỡ hoặc ổ đỡ và chặn) như minh họa trên hình 1.4

Hình 1.4: Mặt cắt mô hình động cơ điện thông dụng (1- Trục; 2- Rotor; 3- Stator và dây quấn; 4- Vòng bi trái; 5- Vòng bi phải)

1.3.3 Mô hình động cơ thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục động cơ

Ý tưởng về việc treo một đối

tượng bằng từ trường đã được đặt ra từ

giữa những năm 1842 trong bài báo

của Earnshaw (On the nature of

molecular forces), mãi đến năm 1934

Braunbeck mới đề cập sử dụng lực

nâng bằng từ trường, những hoạt động

sản xuất công nghiệp tại thời điểm đó

về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập đoàn

S2M ở Vernon, Pháp Hình 1.5: Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động

Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế của ổ từ đã trở thành hiện thực

từ những năm 1960 Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong công nghiệp Từ những năm 1988 trở lại đây, do sự phát triển trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần mềm cũng như kỹ thuật vật liệu và công nghệ chế tạo cơ khí, góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp cũng như giá thành của ổ từ Điều đó, đã tạo cơ hội cho viê ̣c phát triển sử du ̣ng ổ từ trong công nghiệp và trong các dụng cụ cao cấp của y sinh học Ổ đỡ từ là một loại

ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường (Hình 1.5) được đẩy mạnh nghiên cứu ở nhiều quốc gia và đã có các ứng dụng cụ thể Cấu tạo ổ từ tương tự như động cơ điện, nguyên lý làm việc lại như một nam châm điện, thay vì việc sinh mô men quay cho rotor ổ từ và ngõng trục động cơ, thì

nó lại sinh các lực hút theo các phương x và y (với ổ từ chủ động hướng tâm) hoặc theo hướng trục z (với ổ từ hướng trục) Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp

xúc với nhau, cho nên ổ đỡ từ đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21, có thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo

và sản xuất nhờ những ưu điểm nổi bật mà vòng bi không có được như: Không có hao mòn khi vận hành do phần quay của động cơ không tiếp xúc với bất kỳ bộ phận nào; Tăng hiệu suất của động cơ nhờ chuyển động không có ma sát; Thân thiện với

Hình 1.5: Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động

Stator

Rotor

Lỗ trục động cơ

môi trường: Không có bộ phận bôi trơn; khả năng làm việc với tốc độ rất cao và loại

bỏ các rung động khi chuyển động; khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt (chân không; nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp)

Nhưng hệ thống truyền động điện sử dụng ổ từ cũng tồn tại những nhược điểm như là kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành rất cao Điều này làm cho động cơ điện dùng ổ từ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng

Hình 1.6: Mặt cắt mô hình động cơ điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator và dây quấn; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục)

Để nhận thấy điều này ta sẽ phân tích cấu trúc của một động cơ điện sử dụng

ổ từ thông thường được mô tả ở hình 1.6 Khi vòng bi cơ bị loại bỏ thì động cơ điện

sử dụng ổ từ sẽ bao gồm nhiều thành phần Trong đó, hai ổ từ ngang trục được sử

dụng để nâng trục quay theo hướng x, y, còn một ổ từ dọc trục dùng để chặn chuyển động theo hướng z của rotor động cơ, động cơ điện có vai trò tạo ra chuyển động

quay  Kết quả là động cơ điện sử dụng ổ từ thì trục của nó có 6 bậc tự do

Sơ đồ nguyên lý của ổ đỡ từ chủ động (AMB) hướng tâm (hình 1.7a) và ổ đỡ

từ dọc trục (hình 1.7b) là loại có thể điều chỉnh được lực điện từ bằng dòng điện, nó

có cấu tạo giống động cơ điện (stator xẻ rãnh và đặt dây quấn, rotor làm bằng vật liệu từ tính đặc biệt) nhưng nguyên lý làm việc của nó lại giống nam châm điện

Hình 1.7: Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB) a): Ổ đỡ từ hướng tâm; b): Ổ đỡ từ dọc trục.

1.3.4 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ điện ĐB AFPM

Các nghiên cứu gần đây đang tập trung vào việc giảm kích thước và giá thành cho động cơ có sử dụng ổ từ thông qua việc tích hợp chức năng của ổ từ vào động cơ Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A Chiba tại đại học Tokyo – Nhật Bản

Bằng cách tích hợp chức năng của ổ từ hướng tâm vào động cơ điện, kích thước của động cơ điện dùng ổ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên cấu trúc của động cơ phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ học (cuộn dây ổ từ được quấn cạnh cuộn dây động cơ) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho động cơ vẫn giữ nguyên Do đó giá thành của động cơ kiểu này vẫn cao

Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ từ dọc trục vào động cơ (Hình 1.8) Thông qua phương pháp điều khiển mới, động cơ có thêm chức năng sinh ra lực đẩy kéo dọc trục mà không cần bổ xung thêm dây quấn phụ

Bằng cách này phần cứng của ổ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là kích thước và giá thành của động cơ điện dùng ổ từ sẽ suy giảm đáng kể

Hình 1.8: Mặt cắt động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC

có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục (1: Trục; 2, 3: Stator và dây quấn của động cơ phía phải và phía trái; 4: Rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ; 5,6: Rotor ổ đỡ từ bên trái và bên phải; 7,8: Stator và dây quấn

và ổ từ)

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Động cơ đồng bộ AFPM

Các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện có tích hợp chức năng ổ

đỡ từ như máy bơm, tuốc bin khí, máy nén khí, máy công cụ,… sẽ có hiệu suất cao

do ít tổn hao Chính vì vậy, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12.000 vòng /phút sử dụng động cơ điện dùng ổ đỡ

từ được thay thế cho động cơ sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.000 kWh/năm

Với ưu điểm này, động cơ điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học (bơm hóa chất), công nghệ y sinh học (bơm máu trong tim nhân tạo) Một hướng nghiên cứu nữa cũng đang được quan tâm là sử dụng động cơ điện với chức năng tích hợp với ổ đỡ từ làm việc trong môi trường sạch tuyệt đối, môi trường khắc nghiệt (chân không, có nhiệt độ rất cao và rất thấp, Trong thực tế, các hệ truyền

động điện sử dụng động cơ có tích hợp chức năng ổ từ, đã làm việc trong môi trường chân không không cần chất chất bôi trơn ổ trục, làm việc trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng: -1760C) hoặc rất nóng (5500C)

Việc giảm kích thước và giá thành cho hệ thống truyền động điện sử dụng động

cơ điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A Chiba tại Đại học Tokyo – Nhật Bản Bằng cách tích hợp chức năng của ổ đỡ từ hướng tâm vào động

cơ điện, kích thước của động cơ điện dùng ổ đỡ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên, cấu trúc của động cơ phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ khí (cuộn dây

ổ đỡ từ được quấn cạnh cuộn dây động cơ) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho động cơ vẫn giữ nguyên Do đó giá thành của động cơ kiểu này vẫn cao

Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ Thông qua phương pháp điều khiển mới và với cấu tạo đặc biệt, động cơ có thêm chức năng sinh ra lực nâng dọc trục mà không cần bổ sung thêm dây quấn phụ Bằng cách này, phần cứng của ổ đỡ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là kích thước và giá thành của động cơ điện dùng ổ đỡ từ sẽ giảm được đáng kể Tuy nhiên, những nghiên cứu này mới chỉ thành công trong thí nghiệm hai

bậc tự do (chuyển động quay và dịch chuyển theo trục z) với các bộ điều khiển PID

khi các chuyển động ngang trục của động cơ bị chặn Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng bộ động cơ điện dùng ổ đỡ từ theo một khối thống nhất sẽ thành công trong việc giảm kích thước và giá thành, góp phần nhanh chóng đưa động cơ điện dùng ổ đỡ từ vào ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

Mặc dù, khái niệm về hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ (nhất là loại động cơ điện ĐB AFPM) có tích hợp chức năng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian gần đây, nhưng đã thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứu sinh Trong đó nổi bật là hai trung tâm nghiên cứu về ổ đỡ từ và động cơ điện dùng ổ đỡ từ thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên

Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật điều khiển và từ động hóa, bộ môn Tự động hóa XNCN của Viện Điện, thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp sử dụng ổ đỡ từ dọc trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công, các phương pháp điều khiển cơ bản đã được phát triển và ứng dụng cho động cơ, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thế giới về Kỹ thuật điện

Thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại

bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên với các Giáo sư ở trường đại học Curtin (Curtin University - Australia), các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã được nghiên cứu Bước đầu đã có một số công trình nghiên cứu về điều khiển ổ đỡ từ chủ động hướng tâm, được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành và các hội thảo toàn quốc về tự động hóa Các nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ AFPM có tích hợp chức năng ổ đỡ từ mới đang bắt đầu được tiến hành

1.4.2 Ổ đỡ từ

1.4.2.1 Giới thiệu khái quát

Các vòng bi từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học Do đặc điểm treo không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ mới này đưa ra một số các ưu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường, ví dụ như ổ đỡ vòng bi hay ổ đỡ chất lỏng Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các

hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao và các đặc tính động có thể điều chỉnh được Các vòng bi từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ và công suất bộ khuếch đại Các vòng bi từ có thể cho phép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và chân không Một hệ thống đo lường hiện đại tích hợp trong hệ thống treo từ tính không

chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ và tốc độ quay mà hệ thống đo lường này còn

có thể phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó Bộ điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ Điều này cho phép bộ điều khiển điều chỉnh được đặc tính động ảnh hưởng lên các tần số cộng hưởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền

Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong khoảng ba thập kỷ qua Rất nhiều các nghiên cứu quan trọng đã được tiến hành bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến vòng bi từ Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần,… Cho đến nay, những nhận thức trọng tâm trong thiết kế các vòng

bi từ đã có những bước tiến rõ rệt và việc ứng dụng các vòng bi từ vào các ứng dụng thực tiễn đã vượt ra ngoài những mong muốn ban đầu Các ứng dụng quan trọng của các vòng bi từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết

bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động

Trên thực tế, phát minh sớm nhất liên quan vòng bi từ tích cực được cấp cho Jesse Beams tại trường Đại học Virginia trong thời kỳ Chiến tranh thế giới thứ II Sáng chế này ứng dụng cho quá trình siêu ly tâm để phục vụ cho công đoạn tinh luyện trong sản xuất quả bom nguyên tử đầu tiên Tuy nhiên, công nghệ lúc đó chưa

đủ lớn mạnh cho đến khi xuất hiện các công nghệ tiên tiến về điện tử bán dẫn và điều khiển bằng máy tính, cùng với những nghiên cứu của Habermann và Schweitzer Sau đó các nghiên cứu về vòng bi từ thuộc chương trình nghiên cứu Máy điện quay và Điều khiển công nghiệp vẫn được tiếp tục tại Đại học Virginia Cho đến năm 1988, chỉ có một vài viện nghiên cứu tập trung vào nghiên cứu các vòng bi từ Có thể kể đến ở đây gồm: phòng thí nghiệm Higuchi, ĐH Tokyo (Nhật Bản), phòng thí nghiệm Schweitzer, Học viện công nghệ Zurich (Thụy Sỹ), phòng thí nghiệm Allaire, ĐH Virginia (Hoa Kỳ) và phòng thí nghiệm Matsumura, ĐH

Kanazawa (Nhật Bản) Tại hội nghị khoa học quốc tế đầu tiên về công nghệ treo từ tính (International Symposium on Magnetic Bearings - ISMB) được tổ chức vào tháng 6, 1988 tại Thụy Sỹ, các GS Schweitzer (Học viện công nghệ Zurich), GS Allaire (ĐH Virginia) và GS Okada (ĐH Ibaraki) chính là những người đặt nền móng cho Hiệp hội quốc tế về công nghệ treo từ tính

Tính đến năm 2015, ISMB đã trải qua 27 năm phát triển với 14 hội nghị khoa học quốc tế được tổ chức, và đã có một số những đánh giá cụ thể về lịch sử phát triển của AMB được thực hiện Kasarda chỉ ra rằng ứng dụng thương mại đầu tiên của AMB là trong máy gia tốc AMB cho phép loại bỏ các bồn chứa dầu trong các máy nén đối với các đường ống dẫn dầu của công ty truyền tải khí đốt NOVA (NGTL) tại Alberta, Canada Điều này làm giảm nguy cơ cháy nổ và cho phép giảm giá thành trong bảo hiểm Thành công trong việc ứng dụng công nghệ treo từ tính

đã khiến cho NGTL trở thành nơi dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển số cho treo từ tính và như là một sự thay thế cho các hệ thống điều khiển tương tự do công ty Magnetic Bearings Inc (MBI), Hoa Kỳ cung cấp Một công ty của Pháp là S2M, thành lập năm 1976, là công ty thương mại hóa công nghệ AMB đầu tiên ra thị trường Công ty này dành phần lớn công sức nghiên cứu trong thời gian ban đầu để quan tâm đến điều khiển rung động của các máy điện quay trong các tàu ngầm nhằm làm giảm nhiễu sóng âm Tất nhiên các nghiên cứu này không được công khai hóa do bí mật quân sự Các ứng dụng về AMB đã và đang tạo dựng được những bước tiến vững chắc trong một loạt các công nghệ ứng dụng khác nhau Các bơm gia tốc phân tử tạo nên một đóng góp quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn Ngoài ra, công nghệ chân không, các máy nén đã thu được những thành công nhất định dựa trên các hệ thống AMB Tim nhân tạo đang hứa hẹn những bước đi đột phá cho các ứng dụng y sinh trong tương lai không xa

Đầu năm 1987, Akira Chiba đã đề xuất khái niệm cơ bản về động cơ không ổ

đỡ Một năm sau đó, năm 1988, một mô hình động cơ không ổ đỡ đã được xây dựng tại Trường ĐH Khoa học Tokyo Mẫu phát minh cho ý tưởng về động cơ không ổ

từ trở đồng bộ… được đệ trình ngay sau đó một năm Từ đó đến nay, khái niệm này

đã được phát triển cho nhiều loại máy điện khác nữa Kể từ giữa những năm 1990, máy điện không ổ đỡ đã được triển khai nghiên cứu ở Thụy Sỹ, Áo, Đức, Anh, Pháp, Canada, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Hàn Quốc và các nơi khác

Sau 27 năm phát triển, những đánh giá khái quát về triển vọng phát triển trong tương lai của các vòng bi từ nói chung và của AMB nói riêng đã được nhận định H Bleuler chỉ ra rằng xu hướng tích hợp hệ thống sẽ không còn phát triển nhanh chóng như một số năm trước đây nữa, thay vào đó là sự phát triển các ứng dụng Hướng phát triển mới cho các vòng bi từ thụ động đang hé mở ra những ứng dụng mới và hứa hẹn sẽ phát triển nhanh chóng Ngoài ra, các loại ổ đỡ tự cảm biến đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu để nỗ lực chuyển thể thành công thành những ứng dụng công nghiệp Các vòng bi từ sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và các nhà kỹ thuật Các ứng dụng sẽ còn phát triển mạnh trong nhiều các lĩnh vực khác trong vòng 20 năm tới

1994

Phân tích động cơ AC không ổ đỡ

Điều khiển vector cho động cơ cảm ứng không ổ

đỡ

Chiba Schoeb

Nhật Bản Thụy Sỹ

1995 So sánh giữa các vòng bi từ kiểu kích thích vĩnh

cửu và kiểu cảm ứng

1996 Động cơ trượt không ổ đỡ

Động cơ treo từ tính hướng trục

Schoeb Okada

Thụy Sỹ Nhật Bản

1997 Động cơ treo từ tính cho các thiết bị bơm máu Okada Nhật Bản

Năm Công trình nghiên cứu Tác giả Quốc gia

1998 Động cơ không ổ đỡ kiểu AMB lai

Động cơ trượt không ổ đỡ cho bơm máu ly tâm

Okada Ueno

Nhật Bản Nhật Bản

2000

Động cơ không ổ đỡ kiểu lực Lorentz

Động cơ - Ổ đỡ kết hợp kiểu khe hở hướng trục

hai chiều

Okada Ueno

Nhật Bản Nhật Bản

2003 Bơm tim nhân tạo dùng động cơ không ổ đỡ

Động cơ không ổ đỡ kiểu segment

Nhận biết lực hướng kính và tốc độ cho các động

cơ không ổ đỡ

Gruber Chiba

Áo Nhật Bản

2007 Động cơ không ổ đỡ kiểu từ trở đồng bộ Takemoto Nhật Bản

2009 Động cơ không ổ đỡ dạng đĩa cho tim nhân tạo Asama Nhật Bản

2010 Điều khiển phản hồi phi tuyến cho động cơ DC

không chổi than, không ổ đỡ

1.4.2.2 Tình hình nghiên cứu chung

a Các nghiên cứu ở trong nước

Các xu hướng nghiên cứu và phát triển cho các vòng bi từ có thể được phân ra làm bốn hướng chính như sau:

 Nghiên cứu ứng dụng

 Nghiên cứu thu gọn kích thước

 Nghiên cứu làm việc trong các môi trường đặc biệt

 Nghiên cứu ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại

Tại Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng các vòng bi từ mới được triển khai trong những năm gần đây, do đó số lượng các tác giả có những kết quả công

bố hay nghiên cứu đáng kể và chuyên sâu vào lĩnh vực này là chưa nhiều Bộ môn Tự động hóa – Đại học Bách Khoa Hà Nội là một trong những cơ sở sớm có những triển khai liên quan Các vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu tại đây bao gồm:

 Nghiên cứu cơ bản về nguyên lý nâng bằng từ trường

 Nghiên cứu chế tạo

 Các phương pháp điều khiển vòng bi từ

 Nghiên cứu thu nhỏ kích thước cho động cơ nâng bằng vòng bi từ

 Tích hợp chức năng vòng bi từ dọc trục vào động cơ

 ĐK vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ

 Nghiên cứu ứng dụng

b Các nghiên cứu ở nước ngoài

Trên thế giới, các công bố lên quan đến nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các bộ điều khiển cho các hệ thống AMB, kể từ những năm 1990 trở lại đây, có sự gia tăng rất đáng kể Những nước hiện đang đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu này gồm có Nhật Bản, Thụy Sỹ và Brazil và một số nước khác Ngoài ra, Trung Quốc và Hàn Quốc hiện cũng đang nổi lên như là hai nhân tố mới với nhiều ý tưởng và ứng dụng mới Đối với hướng nghiên cứu các bộ điều khiển hiện đại ứng dụng cho AMB, một

số các nghiên cứu tiêu biểu dưới đây đã được tham khảo đến trong luận văn này

Các tác giả Russell D Smith và William F Weldon đã trình bày trong nghiên cứu một phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống treo từ tính rotor cứng Thông qua các kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển trượt, các tác giả đã cấu trúc nên một luật điều khiển phi tuyến có thể duy trì trục rotor ở vị trí trung tâm Các kết quả mô phỏng đã chứng minh khả năng chống nhiễu và bền vững của nó đối với các thông số bất định và các động lực học không mô hình được

Một mô hình toán học của hệ thống AMB với đầu vào điện áp và đầu vào dòng điện ở dạng tiền định đã được Abdul R Husain, Mohamad N Ahmad và Abdul H M Yatim phát triển và trình bày trong tài liệu Do các thuộc tính phi tuyến có trong hệ thống chẳng hạn như hiệu ứng hồi chuyển và mất cân bằng trọng lượng đã dẫn đến việc thiết kế một bộ điều khiển động có thể ổn định hóa hệ thống

Để tổng hợp được bộ điều khiển, các tác giả đã chuyển mô hình AMB phi tuyến sang dạng tiền định bằng cách sử dụng các giới hạn trên và dưới cho trước của các thông số và các biến trạng thái của hệ Tuy vậy kết quả thu được từ nghiên cứu của các tác giả trên còn gặp nhiều hạn chế

1.5 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu

Động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trục như minh họa trên hình 1.6, đang được coi là một ngành công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường Chúng góp phần mạnh mẽ trong việc nâng cao tốc độ quay cho động cơ và giúp động cơ có thể được ứng dụng trong những môi trường đặc biệt mà động cơ có trục được đỡ bằng vòng bi cơ không thể làm việc hoặc làm việc với chi phí bảo dưỡng cao

Ngày nay, động cơ điện đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu

có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trục hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám

và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và giá thành cao nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu sản xuất thành công các vật liệu mới để giảm kích thước và giảm giá thành thì sự thay thế của động cơ điện loại này cho động cơ điện thông dụng trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ,…là điều tất yếu

1) Điều khiển vectơ động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu như trên hình 1.6

a Cấu tạo của động cơ:

Rotor thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và có dạng hình đĩa, kích thước của rotor cần được xác định tối ưu với công suất thiết kế để đảm bảo tính động học tốt nhất cho động cơ Trong thực tế ở dải công suất nhỏ, rotor của động cơ thường được chế tạo ở dạng nam châm vĩnh cửu để giảm kích thước cũng như tăng cường mật độ công suất cho động cơ Kích thước và vị trí của các phiến nam châm vĩnh cửu có ảnh hưởng lớn đến khả năng sinh mô men, lực đẩy kéo và chất lượng của chúng Trong luận án này nghiên cứu động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ chịu lực dọc trục sử dụng modul rotor kép có gắn các phiến nam châm vĩnh cửu trên bề mặt

Stator bao gồm lõi được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện và các cuộn dây

ba pha Để đảm bảo khả năng thu nhỏ kích thước của động cơ mà không gây ra bão hòa mạch từ, loại thép silicon thường được sử dụng để chế tạo lõi stator Lõi stator

có thể được chế tạo ở dạng 3, 6, 9 hay 12 cực, khi số cực càng lớn thì chất lượng của mô men và lực hút dọc trục càng cao, tuy nhiên việc gia công sẽ đòi hỏi chi phí cao hơn Các cuộn dây stator sử dụng dây đồng và cuốn ở dạng tập trung Số lượng cuộn dây sẽ tương đương với số cực của lõi stator

Khung động cơ cố định stator: động cơ bao gồm 2 modul stator đơn, do đó khung động cơ có nhiệm vụ gắn kết các stator thành một khối để đảm bảo khả năng làm việc ổn định ở tốc độ cao

b Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC:

Khi điện áp ba pha được cấp cho các cuộn dây stator, sinh ra các dòng điện (trong dó có thành phần iq) chảy trong nó, sẽ tương tác với từ trường của rotor để tạo ra các mô men quay (M) và dòng điện trong các dây quấn pha (thành phần id) của stator sinh ra các lực đẩy kéo (F) dựa trên nguyên lý của nam châm điện Nhờ

có cấu tạo đặc biệt và nguyên lý làm việc như trên mà rotor của động cơ sẽ không

có dịch chuyển dọc trục mặc dù hai đầu trục động cơ là hai ổ đỡ từ Điều đó cho phép không cần dùng thêm thiết bị chặn chuyển động dọc trục của rotor và vì vậy cấu trúc động cơ trở nên nhỏ gọn hơn

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 giải quyết được một số vấn đề sau:

- Giới thiệu những nét khái quát nhất về động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC: Ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng, cấu tạo và nguyên lý làm việc

- Giới thiệu khái quát về ổ đỡ từ được tích hợp trong hệ thống truyền động

Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về hệ thống truyền động điện trên đây, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU

CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC

2.1 Đặt vấn đề

Từ hình 1.6 (chương 1) Mô hình vật lý của động cơ AFPM được minh họa như trên hình 2.1 Do động cơ có cấu trúc đặc biệt, cho nên stator là một hệ thống điện áp 6 pha trong đó đường trục của sáu cuộn dây ba pha A ,B ,C , A ,B ,C 1 1 1 2 2 2 stator là cố định, điện áp

u ,u ,u ,u ,u ,u và dòng điện i ,i ,i ,i ,i ,i A1 B1 C1 A2 B2 C 2đều là đối xứng Giả thiết hệ thống điện áp u ,u ,u A1 B1 C1 lệch pha so với hệ thống u ,u ,u A2 B2 C 2 một góc  Rotor quay với tốc độ góc đồng bộ 1, cuộn dây kích từ trên rotor được cung cấp điện áp kích từ U p

một chiều tạo ra dòng điện kích từ I p , trục dọc theo cực từ là d, vuông góc với trục d là trục q, tọa độ d-q quay trong không gian với tốc độ quay đồng bộ, giả thiết góc giữa trục d

và trục cố định A 1 vàA 2 là  biến thiên theo thời gian

Từ hệ thống sáu pha như hình 2.1, ta tách ra thành hai hệ thống ba pha lệch pha nhau như trên hình 2.2a và hình 2.2b Sau đây, sẽ gọi là ĐC1 và ĐC2

Hình 2.2: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ từ

Mạch tương đương từng pha đã được sử dụng rộng rãi trong phân tích trạng thái ổn định của máy điện xoay chiều Tuy nhiên, chúng không thích hợp để dự đoán đặc tính động của động cơ Khi nghiên cứu về máy điện và các thiết bị điện, thông thường người ta hay sử dụng sơ đồ mạch thay thế tương đương

Hình 2.2a: Mô hình vật lý của động cơ Hình 2.2b: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ

từ thông dọc trục 1 có tích hợp ổ từ đồng bộ từ thông dọc trục 2 có tích hợp ổ từ

(gọi là động cơ 1) (gọi là động cơ 2)

Hình 2.3 là đồ thị vector không gian từ thông và sức điện động của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, trong đó F , pp dọc theo trục d là sức từ động kích từ và

từ thông của mạch rotor, F s là sức từ động tổng hợp của 3 pha stator, nó cũng là

một vector quay đồng bộ, với một điều kiện phụ tải và kích từ nhất định vị trí tương đối của F s và F p là xác định Sức từ động tổng hợp của F s và F p là F, từ thông tổng hợp là  Từ thông  chính là tổng từ thông khe hở không khí của động cơ điện sau khi đã xét tới phản ứng của phần ứng, góc giữa F s và F là s, góc giữa

ứng sẽ là vector tổng hợp i s của dòng điện stator Phân tích nó thành hai thành phần

sM sT

i ,i , với i sM dọc theo thành phần kích từ của từ thông tổng hợp  , còn i sT là thành phần vuông góc với nó Tương tự như vậy, vector dòng điện kích từ tương ứng với I p cũng được phân thành hai thành phần I pM ,I pT

Hình 2.3: Vector không gian và góc pha thời gian gần đúng của động cơ đồng bộ; a) Vector không gian từ thông, sức từ động; b) Gócpha dòng điện, điện áp, từ thông

Để thiết kế các cấu trúc điều khiển khác nhau của động cơ loại này, cần phải dựa trên mô hình toán của nó Việc phân tích động cơ ba pha ở đây sẽ dựa trên lý thuyết về hệ qui chiếu Sử dụng phương pháp này cho phép đơn giản hóa các phương trình động lực của động cơ xoay chiều và trở thành tương tự như những động cơ một chiều

Khi thiết kế hệ thống, muốn nhận được sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng, ta đã phải đưa ra một số giả thiết làm cho kết quả thiết kế vẫn còn lệch khá xa

so với thực tế Muốn nâng cao chất lượng của hệ thống điều chỉnh tốc độ biến tần - động cơ xoay chiều nói chung, động cơ đồng bộ nói riêng và cải thiện phương pháp thiết kế, trước tiên phải làm rõ bản chất trạng thái động của động cơ xoay chiều thông qua mô hình toán học