Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

L H điện cảm cuộn dây ℓ mm chiều cao cuộn dây stator M Nm mô men của động cơ Δ mm là khe hở không khí giữa rotor và stator của động cơ γ rad góc lệch giữa véc tơ từ trường và véc tơ dòng

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Võ Đức Nhân

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP

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 TS Nguyễn Trường Giang

HÀ NỘI-2023Luận văn - khóa luận

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một công trình nào khác

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS TS Nguyễn Quang Địch

TS Nguyễn Trường Giang

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Nghiên cứu sinh

Võ Đức Nhân

Luận văn - khóa luận

Trang 3

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa và các giảng viên của Khoa Tự động hóa, Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã đưa ra những góp ý, chỉ dẫn giúp tôi hoàn thành mô hình thử nghiệm phần cứng cho luận án của mình Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Phạm Thị

Lý, Trường Đại học Giao thông Vận tải và ThS Nguyễn Xuân Biên, Trường Đại học Thủy lợi đã trợ giúp thực hiện đề tài luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thiện luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, Lãnh đạo Bộ Khoa học và Công nghệ, Lãnh đạo Vụ và các anh chị, em của Vụ Phát triển khoa học và công nghệ địa phương, Bộ Khoa học và Công nghệ và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tôi tham gia khóa học này

Nghiên cứu sinh

Võ Đức Nhân

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT v

CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 6

1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép 6

1.2 Tổng quan về động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz 10

1.2.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép 10

1.2.2 Khái quát về lực Lorentz áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi thép 16 1.2.3 Cơ chế tạo lực ổ từ 17

1.2.4 Cơ chế sinh mô men quay 20

1.3 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép………… …………21

1.4 Mô hình nghiên cứu của đề tài luận án 23

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 25

2.1 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) dây quấn rải 25

2.1.3 Phân tích nguyên lý điều khiển mô men quay động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải 32

2.2 Mô hình mạch lực của truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép 35

2.3 Động lực học quá trình điện từ động cơ tự nâng stator không lõi thép 36

2.3.1 Động lực học mạch phần ứng 36

2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực 36

2.3.3 Động lực học chuyển động 37

2.4 Mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép 39

Trang 5

2.6 Phân tích điều khiển lực ổ từ cho động cơ TNSKLT dây quấn rải (dạng II).….43 2.7 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển có khử nhiễu cho động cơ tự nâng stator

không lõi thép dạng II……….……… 47

2.8 Phân tích chọn mô hình điều khiển 49

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 51

3.1 Khái quát chung 51

3.1.1 Đặt vấn đề 51

3.2 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT 53

3.3 Tổng hợp các mạch vòng tốc độ 55

3.4 Phân tích phương án điều khiển phản hồi đầu ra với bộ điều khiển PID mạch vòng vị trí 56

3.4.1 Đặc điểm mạch vòng vị trí: 56

3.4.2 Phân tích lựa chọn phương án 57

3.4.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí 58

3.4.4 Đánh giá mạch vòng vị trí theo tiêu chí bám lượng đặt và kháng nhiễu 59

3.4.5 Thiết kế bù nhiễu ngoại 61

3.5 Mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT 63

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TNSKLT VÀ THỰC NGHIÊM 68

4.1 Khái quát chung 68

4.2 Giới thiệu các thiết bị trong thực nghiệm 69

4.3 Thực nghiệm xác định thông số ban đầu 73

4.4 Thử nghiệm về điều khiển 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 88

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT

a-d cuộn dây stator

b-e cuộn dây stator

c-f cuộn dây stator

Fad Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây a-d

Fbe Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây b-e

Fcf Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây c-f

F (A vòng) Sức từ động

G Hàm truyền

GF Hàm truyền Feedforwward

I (A) dòng điện

I ad (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator a-d

I be (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator b-e

I cf (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator c-f

kfx (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục X

kfy (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục

km (Nm/A) hệ số tỷ lệ mô men

Trang 7

L (H) điện cảm cuộn dây

ℓ (mm) chiều cao cuộn dây stator

M (Nm) mô men của động cơ

Δ (mm) là khe hở không khí giữa rotor và stator của động cơ

γ (rad) góc lệch giữa véc tơ từ trường và véc tơ dòng điện

Ψ (rad) góc quay của cực từ rotor

ω (rad/s) tốc độ góc của động cơ

Β (rad) góc lệch của lực Lorentz của cuộn dây a-d với trục X

TNSKLT: Động cơ tự nâng stator không lõi thép

Trang 8

CHỮ VIẾT TẮT

ABM : Active Magnetic Bearing

SSBM : Slotless Self-Bearing Motor

TN SKLT: Tự nâng stator không lõi thép

Trang 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B 2.1 Thông số kích thước động cơ

B 3.1 Thông số động cơ

B 4.1 Số liệu thí nghiệm về sức điện động động cơ

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động cơ sử dụng ổ từ thông thường 6

Hình 1.2 Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục 6

Hình 1.3 Động cơ tích hợp ổ từ ngang trục theo nguyên lý Lorentz……… 8

Hình 1.4 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý Lorentz không răng rãnh ……… 9

Hình 1.5 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý Lorentz………….10

Hình 1.6 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép … ……… 11

Hình 1.7 Cấu trúc rotor động cơ tự nâng stator không lõi thép 12

Hình 1.8 Đường sức từ khi có vỏ sắt 12

Hình 1.9 Cấu tạo stator động cơ tự nâng stator không lõi thép 13

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo một vòng dây thanh dẫn của động cơ 14

Hinh 1.11 Sơ đồ bố trí dây dẫn stator động cơ tự nâng stator không lõi thép 14

Hình 1.12 Sơ đồ mô tả động cơ tự nâng stator không lõi thép 15

Hình 1.13 Đồ thị véc tơ lực do cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor 17

Hình 1.14 Mô tả sự lệch tâm rotor của động cơ tự nâng stator không lõi thép 19

Hình 1.15 Phân tích thành phần lực tạo mô men của động cơ TNSKLT 20

Hình 1.16 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép ……… 22

Hình 1.17 Sơ đồ cuốn dây stator của mô hình nghiên cứu động cơ TNSKLT 23

Hình 2.1 Mô hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép 25

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo động cơ TNSKLT 26

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nối dây cuộn dây stator 27

Hình 2.4 Sức từ động của cặp dây cuốn thứ k 28

Hình 2.5 Sơ đồ véc tơ sức từ động của cuộn dây stator 28

Hình 2.6 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây (a) Đồ thị véc tơ lực ổ từ của rotor tác động lên ba cặp cuộn dây (b) 29

Hình 2.7 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây chiếu lên trục X-Y 29

Hình 2.8 Lực ổ từ của động cơ TNKLT khi hệ đứng im khi đồng tâm (a) và khi lệch tâm (b) trên tọa độ X-Y 31

Trang 11

Hình 2.9 Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị của động cơ tự nâng stator không lõi

thép 33

Hình 2.10 Biểu diễn dòng điện stator động cơ trong không gian véc tơ 34

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch lực và đo lường động cơ TNSKLT……… 35

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế một pha mạch phần ứng của động cơ tự nâng stator không lõi thép 36

Hình 2.13 Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor 37

Hình 2.14 Mô tả rotor quay lệch tâm 38

Hình 2.15 Sơ đồ mô tả đối tượng điều khiên mô men 39

Hình 2.16 Sơ đồ động học mạch vòng điều khiển vị trí……… … 41

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép có chức năng ổ từ dạng I 43

Hình 2.18 Sơ đồ biến đổi lực nâng (a-d, b-e, c-f) sang (X-Y) 44

Hình 2.19 Sơ đồ mô tả biến đổi lực nâng trên hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) 45

Hình 2.20 Sơ đồ biến đổi dòng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) 46

Hình 2.21 Sơ đồ tính toán biên độ và vị trí dòng điện để tính quy đổi 47

Hình 2.22 Sơ đồ khối đối tượng mạch vòng điều khiển vị trí 48

Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải (dạng II) 48

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT………53

Hình 3.2 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ của động cơ TNSKLT 55

Hình 3.3 Cấu trúc được đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ TNSKLT 55

Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển vị trí một mạch vòng có bộ điều khiển PI 56

Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển vị trí có hai mạch vòng nối tầng 57

Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vòng nối song song 57

Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển vị trí kiểu PD song song 58

Hình 3.8 Mạch vòng điều khiển vị trí 58

Hình 3.9 Đáp ứng mạch vòng vị trí có sai lệch ban đầu và có nhiễu tải Fc 59

Hình 3.10 Dạng nhiễu ngoại D 60

Hình 3.11 Đáp ứng điều khiển khi có nhiễu ngoại mạch vòng vị trí 61

Trang 12

Hình 3.12 Cấu trúc điều khiển có bù nhiễu D 61

Hình 3.13 Đáp ứng của hệ khi có nhiễu ngoại khi có thiết kế bù nhiễu 63

Hình 3.14 Mô hình mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT ……… 63

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT ………66

Hình 4.1 Mô hình thử nghiệm động cơ tự nâng stator không lõi thép 668

Hình 4.2 Hình ảnh động cơ tự nâng stator không lõi thép trong bộ thí nghiệm 669

Hình 4.3 Card điều khiển DS1104 70

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại dòng điện 71

Hình 4.5 Cảm biến LS-500-2A 71

Hình 4.6 Hình ảnh hệ thống thực nghiệm 72

Hình 4.7 Mô hình điều khiển xây dựng trên Matlab-Simulink 72

Hình 4.8 Giao diện điều khiển ControlDesk 73

Hình 4.9 Dạng sóng sức điện động động cơ a) Lúc bắt đầu chạy b) Chạy ổn định 74 Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm hệ điều khiển vị trí 76

Hình 4.11 Đáp ứng vị trí và tốc độ để khảo sát xen kênh 77

Hình 4.12 Kết quả thực nghiệm điều khiển tốc độ 78

Hình 4.13 Đáp ứng đánh giá sai số quỹ đạo x-y khi động cơ chạy ổn định tại tốc độ 4000v/p 78

Trang 13

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Động cơ điện tự nâng là động cơ điện trong đó rotor của động cơ được nâng hoàn toàn không có tiếp xúc trong không gian nhờ vào lực từ, như vậy ngoài khả năng sinh mô men quay thì động cơ này còn có khả năng tự sinh lực nâng để giữ cố định rotor Trong thời gian gần đây động cơ điện sử dụng ổ từ là một hướng nghiên cứu mới thu hút mạnh mẽ nhiều nhà khoa học trên thế giới Chúng được giới thiệu như những phần tử máy rất có giá trị với nhiều đặc điểm công nghệ mới và có phạm vi ứng dụng rất rộng Các nghiên cứu về động cơ sử dụng ổ từ thường tập trung chủ yếu tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng ứng dụng mạnh mẽ của động cơ ổ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu về chế tạo động cơ ổ từ và các ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển như Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil…

Ma sát, sự mài mòn và chất bôi trơn trong các vòng bi cơ của động cơ điện thông thường khiến cho các động cơ này không thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt như chân không, trong các môi trường có nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp hoặc trong các môi trường hóa chất Ngoài ra sự hiện diện của chất bôi trơn trong vòng bi còn là tác nhân gây ra ô nhiễm trong các ngành công nghiệp sạch như chế biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu và công nghệ sinh học…

Hình 1 Động cơ vòng bi cơ

Để khắc phục những nhược điểm trên của động cơ vòng bi cơ, rất nhiều loại ổ

đỡ khác đã được nghiên cứu như ổ đỡ kiểu đệm khí nén, ổ đỡ kiểu đệm từ trường… trong đó kiểu ổ đỡ dùng đệm từ trường (ổ từ) được đặc biệt quan tâm do chúng có kích thước nhỏ, có khả năng điều chỉnh được lực nâng cũng như có khả năng giám

Trang 14

sát được quá trình làm việc thông qua hệ thống điều chỉnh điện tử cho ổ từ Các ổ từ

sẽ tạo ra lực nâng trục quay của động cơ (rotor) thông qua từ trường vì vậy rotor của động cơ sẽ không tiếp xúc với bất kỳ vật nào Kết quả là chuyển động quay của trục không gây ra hao mòn, không có ma sát và cũng không cần hệ thống bôi trơn và do

đó làm tăng hiệu suất của động cơ điện, giảm chi phí bảo dưỡng cũng như không gây

ra ô nhiễm môi trường làm việc

Với những ưu điểm nổi bật có được nhờ khả năng nâng vật chuyển động không

có tiếp xúc, động cơ ổ từ được coi là một sản phẩm công nghệ mới, có hàm lượng khoa học cao, thân thiện với môi trường và có khả năng thúc đẩy mạnh mẽ đến sự phát triển khoa học và công nghệ trong thế kỷ 21 cả trong nghiên cứu cơ bản lẫn nghiên cứu ứng dụng [1]

Các lĩnh vực ứng dụng chính của động cơ ổ từ bao gồm:

- Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của động cơ chuyển động không có tiếp xúc với phần cố định nên tổn hao do ma sát gần như bằng không Điều này cho phép động cơ làm việc với hiệu suất và tốc độ quay rất cao Các ứng dụng dạng này thường tập trung vào các máy nén cao tốc, các máy công cụ… Ví dụ trong

hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW với tốc độ quay là 12000 vòng phút sử dụng động cơ điện dùng ổ từ được thay thế cho động cơ sử dụng vòng bi thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700000 kWh/năm [2÷3]

- Các ngành công nghệ sạch: Trục quay của động cơ điện dùng ổ từ không tiếp xúc với phần tĩnh do đó không có các hạt bụi do mài mòn tạo ra cũng như không cần

sử dụng các chất bôi trơn Kết quả là động cơ điện dùng ổ từ không gây ô nhiễm tới môi trường xung quanh Với ưu điểm này động cơ điện dùng ổ từ đang được đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công nghệ sinh học (bơm hóa chất [4÷5], bơm máu trong tim nhân tạo [6÷8]…)

- Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn, động cơ điện dùng ổ từ còn được nghiên cứu ứng dụng trong các môi trường rất lạnh (bơm khí helium lỏng, -2760C [9]) và rất nóng (5500C [10])

Trang 15

Hình 2 Cấu trúc chung của động cơ ổ từ thông thường

Hình 3 Ứng dụng động cơ sử dụng ổ từ trong máy nén khí siêu tốc

Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa

hai ổ từ ngang trục Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x 1 ,

y 1 , x 2 và y 2 của trục quay của động cơ Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng z) được điều khiển bởi một ổ từ từ dọc trục Các lực nâng trục được điều khiển bằng

hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ luôn nằm chính giữa lõi stator Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ

từ có 6 bậc tự do [11] So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng

Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động

cơ điện với ổ từ đang được tiến hành, trong đó điển hình là hai hướng nghiên cứu tích hợp chức năng ổ từ ngang trục vào động cơ [12÷20] hoặc tích hợp chức năng ổ từ dọc trục vào động cơ [21÷25] Cho đến nay, các phương án tích hợp này thường được triển khai trên các loại động cơ có sử dụng lõi thép Tuy nhiên khi động cơ ổ từ chạy

ở tốc độ cao thì thường yêu cầu bộ nguồn cấp tần số lớn Trong khi đó, các vật liệu

từ hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu này vì vậy đã mở ra một hướng nghiên cứu về vấn đề này là nghiên cứu động cơ không lõi thép có tích hợp ổ từ [22-45] Hướng nghiên cứu này đã được rất nhiều các nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài quan

Trang 16

tâm nghiên cứu và dần dần đã đạt được một số thành công nhất định cho loại động

cơ này

Do đó hướng nghiên cứu của luận án là phát triển hệ điều khiển cho động cơ tự nâng stator không lõi thép là phù hợp với tình hình nghiên cứu chung trên thế giới và

có tính cấp thiết hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

a Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng mô hình toán học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép để làm

rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục

- Xây dựng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo điều khiển được cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ

b Đối tượng nghiên cứu

Động cơ tự nâng stator không lõi thép sử dụng dây quấn rải và rotor nam châm vĩnh cửu

c Phạm vi nghiên cứu

Hệ điều khiển tốc độ và vị trí ngang trục của động cơ tự nâng stator không lõi

thép

d Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tiếp thu các kết quả nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu đã công bố ở trong nước và nước ngoài cũng như thành quả nghiên cứu của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (Viện KTĐK&TĐH), Đại học Bách khoa Hà Nội để từ đó đề xuất phương pháp hoàn thiện hệ điều khiển cho động

cơ tự nâng stator không lõi thép Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng và thực nghiệm

3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài luận án

Luận án đã nghiên cứu để đưa ra một phương pháp mới xây dựng mô hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép Từ đó có thể áp dụng cho các thiết kế điều khiển mới để nâng cao chất lượng điều khiển cho loại động cơ TNSKLT Góp

phần vào công việc thiết kế chế tạo động cơ TNSKLT ứng dụng vào thực tế

4 Dự kiến kết quả nghiên cứu mới

- Xây dựng mô tả toán mới cho động cơ tự nâng stator không lõi thép kích từ vĩnh cửu và stator có dây quấn rải Sử dụng lý thuyết máy điện và phép biến đổi vector để xây dựng mô hình động học thuận tiện cho việc thiết kế điều khiển

Trang 17

- Thiết kế điều khiển vị trí cho động cơ tự nâng stator không lõi thép, có bộ điều khiển PD song song kết hợp với điều khiển Feedforward bù nhiễu lực ly tâm và đưa

ra phương án cấp dòng điện một chiều để duy trì lực nâng Đề xuất phép biến đổi tọa

độ tĩnh từ tín hiệu hệ trục (x,y) sang tín hiệu hệ (ad, be và cf) thay cho phép biến đổi tọa độ quay để tránh hiện tượng sinh mô men hãm ngược

- Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép để kiểm chứng các thuật toán điều khiển đề xuất

5 Nội dung nghiên cứu

Nội dung luận án chia thành bốn chương, bao gồm:

Chương 1 Tổng quan chung về động cơ tự nâng stator không lõi thép

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học động cơ tự nâng stator không lõi thép từ

đó đề xuất cấu trúc điều khiển

Chương 3 Thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Chương 4 Xây dựng mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép và thực

nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Trang 18

Chương 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR

KHÔNG LÕI THÉP

Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa

hai ổ từ ngang trục Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x 1 ,

y 1 , x 2 và y 2 của trục quay của động cơ Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng

z) được điều khiển bởi một ổ từ dọc trục Các lực nâng trục được điều khiển bằng hệ

thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ luôn nằm chính giữa lõi stator Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ từ có 6 bậc tự do [11] So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động cơ điện với ổ từ đang được tiến hành

Hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay là kết hợp chức năng giữa ổ từ ngang trục

và động cơ điện [12÷20] Các động cơ kiểu này sử dụng hai loại dây quấn, loại dây quấn có cùng số cực p so với rotor dùng để sinh ra mô men quay cho động cơ, loại dây quấn khác có số cực là p±2 dùng để sinh ra các lực nâng ngang trục Đây là sự tích hợp về mặt cơ khí do đó mặc dù kích thước của động cơ sử dụng ổ từ có giảm nhưng cấu trúc của stator và hệ điều khiển vẫn phức tạp Số lượng bộ biến đổi điện

tử công suất sử dụng trong động cơ vẫn giữ nguyên do đó giá thành của động cơ ổ từ vẫn cao

x 1

Hình 1.1 Động cơ sử dụng ổ từ thông thường Hình 1.2 Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục

Trong thời gian gần đây, sự kết hợp về điện giữa động cơ điện và ổ từ ngang trục

đã được giới thiệu [14][20] Động cơ này chứa 5 cuộn dây và có khả năng tạo ra lực nâng ngang trục và mô men quay đồng thời, còn các chuyển động nghiêng và chuyển động dọc trục của trục quay cần được ổn định nhờ các cơ cấu bên ngoài Kết quả là kích thước và số bộ biến đổi điện tử đã giảm Nhược điểm chính của loại động cơ này

là lực nâng và mô men quay có ảnh hưởng lớn đến nhau và có đặc tính phi tuyến

Trang 19

mạnh, do đó các phương pháp điều khiển phức tạp được yêu cầu để đạt được khả năng vận hành tin cậy

Một điểm đáng lưu ý nữa là các động cơ ổ từ kể trên đều hoạt động chủ yếu theo nguyên tắc cảm ứng, trong đó sự chuyển động được tạo ra là nhờ tương tác giữa

từ trường của cuộn dây với nhau hoặc với từ trường ngoài Kết quả của sự tương tác này là lực sinh ra sẽ tỷ lệ với bình phương dòng điện cấp cho cuộn dây và phụ thuộc nhiều vào khe hở không khí giữa stator và rotor (tỷ lệ nghịch) Các mối quan hệ lực-dòng điện và lực - khoảng cách phi tuyến tính này và sự biến thiên lực cao là những

lý do chính khiến cho các động cơ ổ từ trên đã không được thực hiện trước đây trong các hệ thống có độ chính xác cao

Các cơ cấu chấp hành điện từ lý tưởng phù hợp với mong muốn có độ chính xác cao thường là các cơ cấu chấp hành có mối quan hệ tuyến tính giữa lực và dòng điện, điều này có nghĩa là các hằng số của động cơ phải độc lập với sự thay đổi về vị trí, mức dòng điện, tốc độ, nhiệt độ, dung sai và môi trường [26÷28]

Các động cơ ổ từ dựa trên nguyên lý lực Lorentz lại chủ yếu dựa vào cường độ

từ trường bên ngoài (thường được tạo ra bởi một các nam châm vĩnh cửu trên rotor)

và độ lớn dòng điện trong các cuộn dây mang Các cuộn dây được đặt trong khe hở không khí của từ thông ngoài Do đó, việc tạo ra lực từ chủ yếu dựa trên lực Lorentz trong các cuộn dây của ổ từ Kết quả là các cơ cấu chấp hành theo nguyên lý lực Lorentz là gần giống đối với một cơ cấu chấp hành lý tưởng Đây chính là ưu điểm nổi bật để có thể tạo động cơ ổ từ phù hợp với mong muốn cho các cơ cấu có yêu cầu

độ chính xác cao [29÷45]

Loại động cơ ổ từ đầu tiên được giới thiệu theo nguyên lý lực Lorentz được mô

tả như Hình 1.3a, b, c, trong đó động cơ và một ổ từ ngang trục được tích hợp với nhau để vừa sinh ra mô men quay vừa sinh lực nâng đồng thời [13] Tuy nhiên bên cạnh cuộn dây stator có nhiệm vụ sinh ra mô men quay (Hình 1.3b) thì cần phải có thêm cuộn dây phụ để sinh ra lực nâng (Hình 1.3c) Ngoài ra để đảm bảo khả năng sinh mô men và lực nâng tốt thì động cơ này phải sử dụng các tấm nam châm vĩnh cửu có độ dầy lớn Điều này dẫn tới kích thước của động cơ khá lớn và tăng tổn hao

do dòng xoáy trong các phiến nam châm của động cơ Ngoài ra việc sử dụng phiến nam châm có độ dầy lớn cũng gây ra sự mất cân đối nghiêm trọng giữa việc sinh mô men và lực nâng: miếng nam châm càng dầy thì khả năng sinh mô men càng lớn nhưng lại làm tăng trở kháng cho đường dẫn từ thông sinh lực nâng dẫn tới khả năng sinh lực nâng giảm

Trang 20

a Sơ đồ cấu trúc

b Nguyên lý sinh mô men

c Nguyên lý sinh lực nâng

Hình 1.3 Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục theo nguyên lý lực Lorentz [29]

Trang 21

Để khắc phục các nhược điểm trên thì một phương án thiết kế động cơ ổ từ theo hướng này được giới thiệu trong [31÷37] thể hiện như Hình 1.4 Với một cấu trúc không quá phức tạp, động cơ ổ từ không răng rãnh được thiết kế dựa trên nguyên lý lực Lorentz có thể sinh đồng thời cả lực nâng lẫn mô men quay, trong đó các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí bên ngoài rotor và các cuộn dây stator được bố trí bên trong stator Cấu trúc này đã hạn chế được sự mất cân bằng giữa việc sinh mô men quay và lực nâng đo độ dầy của phiến nam châm Kiểu thiết kế không răng rãnh cũng cho phép loại bỏ được hiện tượng đập mạch mô men do đó kiểu động cơ ổ từ này hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao như các ứng dụng định vị và các ứng dụng điều khiển chùm laser [34],[38] Tuy nhiên hạn chế của loại động cơ này vẫn là sử dụng số lượng phiến nam châm nhiều (12 đôi cực) và khe hở không khí giữa stator và rotor lớn, điều này dẫn tới để đảm bảo khả năng sinh mô men và lực nâng đủ lớn thì kích thước động cơ cũng phải tăng

Hình 1.4 Động cơ tự nâng theo nguyên lý lực Lorentz không răng rãnh [34]

Với mục tiêu xây dựng được động cơ ổ từ theo nguyên lý lực Lorentz có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ và giá thành thấp, Ueno và các cộng sự đã đề xuất được một loại động cơ mới có sơ đồ cấu trúc được mô tả như trong Hình 1.5 [41-45] Trong

đó các cuộn dây được quấn rải trên stator không lõi thép và một cục nam châm hình trụ được bố trí ngoài rotor Cả lực nâng lẫn mô men quay đều được sinh ra dựa trên

sự tương tác giữa dòng điện trong cuộn dây stator và từ trường của nam châm vĩnh

Trang 22

cửu (nguyên lý lực Lorentz) Để tránh các hiện tượng gây ra bởi lực từ không cân bằng thì nam châm hình trụ cũng được gắn trên vỏ ngoài với khoảng cách cố định Tuy nhiên kiểu động cơ này mới chỉ dừng lại ở mức xây dựng mô hình nguyên lý để

thử nghiệm khả năng sinh mô men quay và lực nâng cho hướng x 1 và y 1 , còn phía x 2

và y 2 đang bị hạn chế bởi vòng bi cơ thông qua một trục dài

Như vậy với các ưu điểm nổi bật là mật độ công suất lớn, dao động mô men thấp, mặt cắt stator mỏng và các hằng số lực và mô men là tuyến tính, động cơ tự nâng không lõi thép có khả năng mở ra hướng ứng dụng tốt cho công nghiệp Do vậy hướng nghiên cứu phát triển hoàn thiện loại động cơ này để có thể dùng được cho các ứng dụng cụ thể là thực sự cần thiết

Hình 1.5 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz [42]

Lorentz

1.2.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép

Động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) là động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu stator không lõi thép, có chức năng đồng thời tạo mô men quay lẫn lực nâng

Mô hình động cơ TNSKLT được trình bày trên Hình 1.6 Cấu trúc của động cơ tự nâng stato không lõi thép gồm ba phần chính là stator, rotor và tải Do rotor động cơ được treo, trục Z (thẳng đứng) được cố định, chiều ngang rotor X-Y được thả lỏng,

vì vậy nghĩa tự nâng ở đây được hiểu là lực đẩy rotor theo hai chiều X-Y Nguyên lý cấu tạo cụ thể:

Trang 23

N S

Cuộn dây stator

Vỏ sắt

Rotor Khung nhựa

- Nam châm hai cực hình trụ tròn đều giống như rotor động cơ xoay chiều đồng

bộ nam châm vĩnh cửu SPMM (Surface Permanent Magnet Motor)

- Vỏ sắt bao quanh stator quay cùng rotor để tạo mạch dẫn từ

- Trục quay

- Đế nhôm kết nối các thành phần của động cơ để cách từ

- Khoảng cách của khe hở không khí giữa nam châm và vỏ sắt là không đổi nhằm đảm bảo một từ trường ổn định trong động cơ Rotor động cơ không có ổ bi khe hở không khí giữa stator và rotor được giữ không đổi là do lực nâng ngang trục

- Trục rotor được nối với tải thí nghiệm bằng khớp nối mềm

- Các đường sức từ đi ra khỏi bề mặt nam châm có xu hướng quay vòng về phía cực nam Dễ dàng nhận thấy nếu không có vỏ sắt thì việc xác định mật độ từ thông tại các điểm xung quanh nam châm vĩnh cửu trở nên rất khó khăn do sự phân bổ từ thông quanh lõi là không đồng đều Đây cũng là một điểm khác biệt so với các dòng động cơ khác

Trang 24

Đế nhôm

Khớp nối mềm

Rotor Nam châm Vĩnh cửu

NS

Trục nối với tải

Vỏ sắt

Hình 1.7 Cấu trúc của rotor động cơ tự nâng stato không lõi thép

Vì vậy vỏ sắt có vai trò định hướng khép mạch từ, hay nói cách khác các đường sức từ sẽ đi ra vuông góc với tiếp tuyến tại điểm đó, tạo sự phân bố đồng đều cho từ trường nằm giữa rotor và stator Mặt khác, sự có mặt của vỏ sắt sẽ làm giảm sự khuếch tán từ thông ra bên ngoài (xem Hình 1.8) Điều này rất quan trọng đảm bảo vận hành động cơ

N S

Hình 1.8 Đường sức từ khi có vỏ sắt

Trang 25

b) Stator

Stator có cấu tạo như trong Hình 1.9 Stator bao gồm các thanh dây dẫn được lắp vào khung nhựa

Khung cuộn dây

Giá đỡ khung cuộn dây

Hình 1.9 Cấu tạo stator động cơ tự nâng stator không lõi thép

Dây quấn là 12 thanh dẫn được thiết kế bằng cách bố trí trên một khung lục giác Hình 1.10 trình bày sơ đồ cấu tạo của một vòng dây thanh dẫn của động cơ, dây dẫn lục giác này bao gồm hai thành phần:

- Phần song song của thanh dẫn (được ký hiệu là ℓ p): Đây là thành phần của dây quấn song song với trục động cơ và vuông góc với đường sức từ Đây cũng là thành phần chính tạo ra lực và mô men chuyển động Độ dài của phần này được thiết kế đảm bảo mô men và lực nâng đủ lớn dựa trên các tính toán sẽ được trình bày ở phần sau

- Phần nối tiếp của thanh dẫn (được ký hiệu là ℓ t): Đây là thành phần của dây quấn kết nối các phần song song Chúng không hoàn toàn được tính toán độc lập mà

phụ thuộc vào phần song song sao cho đảm bảo góc nghiêng α xác định và có chiều

dài phù hợp để hai cạnh song song của một hình lục giác vừa đủ ¼ chu vi hình tròn của vỏ nhựa bao quanh rotor

Trang 26

0

-a

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo một vòng dây thanh dẫn của động cơ

Sơ đồ bố trí thanh dẫn các pha của stator được trình bày trên Hình 1.11:

Y

X

0



Hình 1.11 Sơ đồ bố trí dây dẫn stator động cơ

Dây dẫn của động cơ tự nâng stator không lõi thép được ký hiệu lần lượt là pha

a, pha b, pha c, pha d, pha e, pha f Trong đó các cặp thanh dẫn từng pha có chiếm

góc là π/2, ký hiệu dấu (+) là đầu vào và đầu (–) là đầu ra Người ta bố trí từng cặp

đối xứng a-d, b-e, c-f Cuộn dây pha a-d, pha b-e, pha c-f đặt lệch nhau một góc 2π/3

(tương tự như dây quấn ba pha của các động cơ xoay chiều) Vị trí của các cuộn dây

thứ k được xác định theo ký hiệu là θ0 + θk Trên Hình 1.11 là ví dụ về cuộn dây stator

có ba cặp a-d; b-e; c-f với trục X-Y trực giao, với góc ban đầu lấy cuộn dây +a làm

chuẩn, lệch với trục X một góc là0

Trang 27

se c

4

3 2

c c

3 2

e e

3 2

f f

k phase

+ +

a-

b-

d- f-

Hình 1.12 Sơ đồ mô tả cấu tạo động cơ tự nâng stator không lõi thép

Trang 28

1.2.2 Khái quát về lực Lorentz áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi

thép

Khi dây dẫn có dòng điện được đặt trong từ trường sẽ sinh ra lực Lorentz tác động lên thanh dẫn Áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi thép, với rotor là nam châm vĩnh cửu có cường độ từ trường B tại khe hở không khí δ và từ trường này tác động lên các dây dẫn a, b, c, d, e, f khi có dòng điện I chạy qua để sinh ra lực F

có độ lớn tính bằng công thức của định luật Lorentz và chiều tác dụng của lực được xác định bằng nguyên tắc bàn tay trái:

F (N) là lực tác dụng lên dây dẫn tại điểm xét, B (Tesla-T) là cường độ từ trường

ở khe hở không khí, I (A) là dòng điện chạy qua dây dẫn, γ (rad) là góc giữa véc tơ

từ trường và đoạn dây dẫn, ℓ (m) là đoạn dây dẫn mang dòng điện

Từ phân tích nguyên lý cấu tạo và làm việc trong phần trên động cơ tự nâng stator không lõi thép có kết cấu gồm 12 thanh dẫn chia thành 6 pha cách đều nhau

300 Trong đó có ba cặp thanh dẫn đối xứng nhau +a và –a với +d và –d (màu đỏ) +b

và –b với +e và –e (màu xanh) +c và –c với +f và –f (màu vàng) Ba cặp a-d, b-e, c-f lại lệch với nhau 1200 Ta nối nối tiếp hai cặp cuộn dây a và d (-a với +d) gọi là cuộn a-d và cuộn dây b và e (-b với +e) gọi là cuộn b-e, c và f (-c với +f) gọi là cuộn c-f

Vì vậy khi ta cho dòng điện vào các cuộn dây ta cói ,i ,i ad be cf , nam châm của rotor sẽ tác động lên các thanh dẫn có dòng điện chạy qua sinh ra lực Lorentz Về nguyên lý

ta phải tính lực tác dụng của 12 thanh dẫn, nhưng do đặc điểm cấu tạo của dây dẫn stator nên ta chỉ cần nghiên cứu tính lực và mô men do một cặp cuộn dây như a-d sinh ra sau đó suy ra hai cặp còn lại

Mô hình nghiên cứu động cơ stator không lõi thép có hai yêu cầu: Sinh ra lực đẩy điện từ theo định luật Lorentz để giữ khe hở không khí δ đồng đều (gọi là lực nâng ngang trục) và lực tạo mô men quay động cơ Để tạo lực ổ từ ta sẽ cấp cho ba cặp cuộn dây dòng điện một chiều, để tạo mô men quay động cơ ta sẽ cấp cho động

cơ dòng xoay chiều Ta sẽ lần lượt nghiên cứu cơ chế tạo lực ổ từ và cơ chế tạo mô men quay

Trang 29

1.2.3 Cơ chế tạo lực ổ từ

a) Xét khi rotor đứng im khe hở không khí đồng đều

Xét sơ đồ nguyên lý động cơ như trên Hình 1.13, ta chọn trục tọa độ trực giao

X-Y theo vị trí tự chọn, định nghĩa góc θ 0 là góc giữa trục X và cuộn dây +a, véc tơ

từ trường rotor Btrùng với trục X Giả thiết véc tơ cường độ từ trường khe hở không khí B trùng với trục X, phương của lực được xác định theo quy tắt bàn tay trái Để nghiên cứu lực ổ từ, ta xét cặp cuộn dây pha a và cuộn dây pha đối xứng d Dòng điện

ia = id Do hai cuộn dây được bố trí đối xứng nên ta có trục +a và +d cũng như –a và –d Vì vậy lực tác dụng lên dây dẫn +a và + d tạo lực đẩy cùng hướng có giá trị bằng nhau nên tổng hợp lại thành lực F+ad Tương tự như –a và –d ta có lực F-ad

0 0

0

22

Hình 1.13 Đồ thị véc tơ lực do cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor

Trang 30

Do thanh dẫn cố định nên ba lực F ,F ,F ad be cf sẽ tạo phản lực tác động lên rotor

ký hiệu là F ,F ,Fad r be r cf r Ba lực đẩy này tác động lên rotor giữ cho rotor cân bằng tạo

chức năng tương tự như ổ từ giữ cho rotor đồng tâm Chiếu các lực lên hai trục X-Y

ta có lực các cuộn dây tác động lên rotor được chiếu lên hai trục X và Y

b) Khi rotor quay khe hở không khí δ đồng đều

Khi rotor quay với góc t, lực ổ từ do tác dụng của lực của các cuộn dây stator

lên rotor là không đổi (vì dòng điện sinh ra lực là dòng một chiều) Tuy nhiên do cực

từ quay nên véc tơ của các lực cũng được quay theo (do véc tơ B quay) Lực ổ từ bị

thay đổi khi rotor quay Từ (1.7) suy ra lực tác động của thanh dẫn lên rotor khi rotor

quay với tốc độ góc ω là:

Trang 31

c) Trường hợp khi khe hở không khí δ không đồng đều do lệch tâm rotor

Khi rotor bị lệch tâm (xem Hình 1.14) ta có sai lệch trên trục X và Y là ∆x và ∆y

N S

Hình 1.14 Mô tả sự lệch tâm rotor của động cơ stator không lõi thép

Để khử lệch tâm rotor và đưa rotor về vị trí cân bằng ta dùng giải pháp điều

khiển dòng điện tạo ra lực ∆Fx để kéo sai lệch ∆x = 0 và ∆Fy để kéo sai lệch ∆y = 0 Giải pháp điều khiển dòng điện các cuộn dây để tao ra lực ∆Fx và ∆Fy để có ∆x = 0

và ∆y = 0 tức là đưa hệ về cân bằng có khe hở không khí δ đồng đều, đây là nguyên

lý của ổ từ Theo nguyên lý sinh lực ổ từ thì lực ổ từ chỉ xuất hiện khi có sai lệch vị trí rotor, lúc đó động cơ sẽ xuất hiện dòng điện vào ba cuộn dây i , i , iad f  be f cf f Chiếu

ba lực này lên trục X-Y ta có hai dòng điện i xvà i yvà lực ổ từ trên trục X-Y là:

Để ba véc tơ lực F ,F ,F đứng im khi rotor quay ta cần tạo nên véc tơ dòng ad be cf

điện tổng sinh lực nâng f

i

 quay với tốc độ rotor ω nhưng ngược với chiều quay Luận văn - khóa luận

Trang 32

rotor, điều này được thực hiên bằng phép biến đổi tọa độ (X-Y)→(a-d; b-e; c-f) theo

1.2.4 Cơ chế sinh mô men quay

Từ công thức (1.2) dễ dàng nhận thấy khác với thành phần dòng điện tạo lực

nâng là dòng một chiều, thì thành phần dòng điện tạo mô men là dòng điện xoay

chiều, ví dụ đối với cuộn dây a-d ta cấp cho dòng điện xoay chiều:

i ad T I cos m  (1.12)

Dòng điện này sẽ tác động với từ trường B tạo nên ngẫu lực quay rotor (xem

Hình 1.15) Trong đó  (rad) là góc quay của véc tơ dòng điện I ad T được tính

   với o là góc ban đầu của véc tơ

N S

+a -a

+d

-d

T a

F

T a

F

T d

F

T d

- F a T là phản lực tác dụng của dây dẫn pha a tác động vào rotor

- F d T là phản lực tác dụng của dây dẫn pha d tác động vào rotor

- F -a T là phản lực tác dụng của dây dẫn pha -a tác động vào rotor

- F -d T là phản lực tác dụng của dây dẫn pha -d tác động vào rotor

Cặp ngẫu lực: F a T và F d T , F -a T và F -d T bằng nhau về độ lớn khác nhau về chiều

Tổng ngẫu lực tác dụng do cuộn a-d gây nên:

Trang 33

Ta cung cấp cho dòng điện xoay chiều cho ba cặp cuộn dây a-d, b-e, c-f để sinh mô men quay:

be m T

1.3 Hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

a) Cấu trúc điều khiển: Dựa trên kết quả phân tích động học quá trình điện từ cơ ở

phần 1.2, cấu trúc điều khiển động cơ stator không lõi thép đã được đề xuất trong [42]

và được trình bày trên Hình 1.16 Về nguyên lý điều khiển động cơ stator không lõi thép có hai đại lượng cần điều khiển: Vị trí rotor được điều khiển bằng dòng tạo lực nâng i , tốc độ động cơ được điều khiển bằng dòng tạo mô men quay s f i s T Như vậy

Trang 34

ta có hai kênh điều khiển: Kênh điều khiển tốc độ động cơ và kênh điều khiển vị trí rotor Trên Hình 1.16 trình bày cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép Hệ có hai kênh điều khiển:

- Kênh điều khiển vị trí rotor gồm hai bộ điều khiển vị trí Rx theo trục X và và Ry

theo trục Y, đầu ra hai bộ điều khiển vị trí là là hai tín hiệu dòng điện  ixvà  iy

qua biến đổi tọa độ (1.11) ta được tín hiệu dòng đầu ra f f f

ta có i ,i ,iad T be T cf T được tính toán thông qua (1.15)

Tổng hợp tín hiệu dòng điện đầu ra của hai kênh điều khiển ta được tín hiệu dòng điện tổng, tín hiệu này điều khiển ba bộ khuếch đại dòng cấp cho các cặp thanh dẫn của stator

N S

Reslover

X Y

BKĐ A

BKĐ B

BKĐ C

+a -d

+b

+c -e

cos

2 3

cos( )

2 3

I

* cf

I

T ad

I

T cf

I

T be

Hình 1.16 Cấu trúc điều khiển động cơ stator không lõi thép [42]

b) Vấn đề thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép

Ta cần thiết kế ba bộ điều khiển: Hai bộ điều khiển vị trí và một bộ điều khiển tốc

độ động cơ Có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế điều khiển, cụ thể: Thiết kế điều khiển tuyến tính dùng các bộ điều khiển PID [55÷63], các công trình này quan tâm

Trang 35

kế điều khiển phi tuyến [64÷70], các công trình này chủ yếu là điều khiển trượt khi

mô hình hệ là tuyến tính có thông số thay đổi và có nhiễu tải

Khi nghiên cứu mô hình các động cơ có dây dẫn stator dạng thanh, ta thấy có nhược điểm là muốn tăng công suất ta phải tăng tiết diện thanh dẫn, có mô hình tạo các thanh dẫn bằng các tấm đồng Điều này sẽ làm tăng kích thước của động cơ Ngoài ra, về mô hình điều khiển khi rotor có dạng thanh cũng phức tạp Từ phân tích trên mô hình động cơ không lõi thép ở phòng thí nghiệm được xây dựng là stator dây cuốn có sáu bối dây, cuốn rải theo chu vi của stator như ảnh Hình 1.17a, sơ đồ triển khai dây quấn Hình 1.17.b Như vậy, ta không có 12 thanh dẫn mà là các ba cặp cuộn dây a-d, b-e, c-f theo chu vi stator (Xem Hình 1.17c)

X

Y

+a +d

Trang 36

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Nội dung chương 1 đã giải quyết các vấn đề sau:

- Trình bày khái quát lại nguyên lý, cấu tạo và phương thức làm việc của động

cơ tự nâng stator không lõi thép có dây quấn dạng thanh

- Phân tích làm rõ hơn về động lực học các quá trình điện từ cơ của động cơ tự nâng stator không lõi thép, có dây quấn dạng thanh

- Tổng kết các công trình nghiên cứu đã công bố về động cơ tự nâng stator không lõi thép Đồng thời, đề xuất mô hình động cơ mới để nghiên cứu

Trang 37

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG

STARTOR KHÔNG LÕI THÉP DÂY QUẤN RẢI 2.1 Động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải

2.1.1 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải

a) Giới thiệu mô hình: Trong chương một đã khái quát về lý thuyết cơ bản của

động cơ tự nâng kích từ nam châm vĩnh cửu stator không lõi thép dùng lực Lorenzt

Từ phân tích các ưu nhược điểm của động cơ tự nâng kích từ nam châm vĩnh cửu stator không lõi thép với từ trường phân tán và stator dạng thanh [42], luận án đề xuất

mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép dây cuốn rải được xây dựng ở phòng thí nghiệm được trình bày trên Hình 2.1

TẢI MFMC

N S

Cuộn dây stato

trên khung nhựa

Hình 2.1 Nguyên lý mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép

Trên Hình 2.1 là mặt cắt đứng của mô hình động cơ TNSKLT: Rotor là nam châm vĩnh cửu từ trường đều với cường độ B, để khép kín mạch từ cho từ trường người ta bọc xung quanh động cơ bởi một vỏ sắt quay cùng với rotor, rotor được nối vởi tải thử nghiệm là máy phát một chiều (MFMC) qua khớp nối mềm, như vậy trục

Z của động cơ được cố định, hai trục ngang X-Y được thả lỏng Các bộ phận ghép

nối được làm bằng vật liệu nhôm để cách từ Như vậy động cơ có hai khe hở: δ là khe

hở giữa cuộn dây stator và rotor, δn là khe hở ngoài giữa cuộn dây stator và vỏ sắt,

hai khe hở này đều liên quan chặt chẽ với nhau

b) Cấu tạo động cơ tự nâng stator không lõi thép

Trang 38

Trên Hình 2.2 là sơ đồ cấu tạo và kích thước động cơ tự nâng stator không lõi thép Trong đó Hình 2.2 a là sơ đồ mặt cắt đứng và Hình 2.2 b là sơ đồ mặt cắt ngang

Đế nhôm

N S

Cuộn dây stator

a)

b)

vt d

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo động cơ TNSKLT theo mặt cắt đứng và ngang

Ta có dr là đường kính rô to, δ là khe hở không khí giữa rotor và cuộn dây stator,

ds là đường kính ngoài cuộn dây stator, δn là khe hở không khí giữa vỏ sắt và cuộn dây stator, dvt là đường kính vỏ sắt của rotor

Bảng thông số hình học của động cơ được trình bày trong bảng B2.1

B 2.1 Thông số về kích thước của động cơ

c) Sơ đồ dây quấn stator: Hình ảnh cuộn dây stator của động cơ TNSKLT ở Hình

1.17a là tròn đều không răng rãnh (Slotless) Nguyên lý triển khai dây cuốn stator và

sơ đồ nối các cuộn dây của mô hình động cơ TNSKLT được trình bày trên Hình 2.3 Cách nối dây như sau: (-a) nối với (+d) ta được cặp cuộn dây a-d, đầu vào (+a) đầu

ra là (-d) có ký hiệu màu đỏ; (-b) nối với (+e) ta được cặp cuộn dây b-e, đầu vào (+b)

Trang 39

(+c) đầu ra là (-f) có ký hiệu màu vàng Thông số cuộn dây stator: Đường kính dây dẫn 1mm, số vòng dây của một cuộn dây là 26, số vòng của một cặp cuộn dây (1 pha)

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nối dây cuộn dây stator

d) Sức từ động cuộn dây

Để nghiên cứu quá trình điện từ của động cơ stator dây cuốn rải người ta dùng véc tơ sức từ động để thay thế đẳng trị cho véc tơ dòng điện [46][47] [48] Lúc đó véc tơ dòng điện cho các cặp bối dâyI k tính theo véc tơ sức từ động tương ứng cho cặp cuộn dây thứ k [46] (xem Hình 2.4)

Hình 2.4 Sức từ động của cuộn dây thứ k

Trang 40

Theo nguyên lý điện từ của máy điện, khi bối dây có dòng điện chạy qua sẽ

sinh ra véc tơ sức từ động dây quấn I k có chiều xác định trên Hình 2.5 (nằm giữa bối

dây) Giá trị được tính:

I k 2N k i qd k



 (2.1)

Trong đó: Ik (A vòng) là giá trị sức từ động bối dây thứ k, N là số vòng dây,

kqd là hệ số dây quấn, i ( A ) k là cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây thứ k

Áp dụng cho dây quấn của động cơ TNSKLT ta có véc tơ dòng điện của ba

cặp cuộn dây được trình bày trên Hình 2.4, màu đỏ ký hiệu cuộn dây (a-d), màu xanh

ký hiệu cho cuộn dây (b-e), màu vàng ký hiệu cho cuộn dậy (c-f)

Hình 2.5 Sơ đồ véc tơ dòng điện của các cặp cuộn dây stator

2.1.2 Lực ổ từ của mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn rải

Lực nâng của động cơ tự nâng không lõi thép dây quấn rải được tính theo lực

Lorentz công thức (1.1) là tích vô hướng của véc tơ từ trường và véc tơ dòng điện, có

chiều xác định theo nguyên tắc bàn tay trái tức là lực nâng sẽ vuông góc với véc tơ

Tiêu đề	Luận án tiến sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép
Tác giả	Võ Đức Nhân
Người hướng dẫn	PGS. TS. Nguyễn Quang Địch, TS. Nguyễn Trường Giang
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Thể loại	Luận án
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	106
Dung lượng	4,26 MB