Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu

ĐC điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu động cơAFPM có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục, khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trụcnhư minh họa trên hình 1, hiện đang đ

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Dương Quốc Tuấn, hiện đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa –Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Tôi xincam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tậpthể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quả nghiên cứu làtrung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020

Tác giả luận án

Dương Quốc Tuấn

đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu vàhoàn thiện luận án.

PGS.TS Nguyễn Như Hiển và PGS.TS Trần Xuân Minh, những người thầykính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợicho tôi

Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện trường Đạihọc Kỹ thuật Công nghiệp, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của trườngĐại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnhbản luận án này

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, các em và người vợ yêu quý cùng con trai đãluôn luôn bên tôi, hết lòng thương yêu, quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinhthần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này

Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020

Tác giả luận án

Dương Quốc Tuấn

Mục lục

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

3 Mục tiêu của luận án 3

4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

5 Bố cục của luận án 4

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH HỢPỔĐỠTỪ 5 1.1 Mở đầu 5

1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục 6 1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu 7

1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 9

1.3.2 Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 10

1.3.3 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ 11

1.3.4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC 11

1.3.5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 13 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 16

1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án 27

1.6 Kết luận 28

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC 29

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu 29

2.1.1 Cấu tạo 29

Mục lục

2.1.2 Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC 302.2 Mô hình toán học của động cơ từ thông dọc trục kích từ NCVC 302.2.1 Đặt vấn đề 302.2.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục tích hợp chứcnăng ổ từ dọc trục trên hệ tọa độ đồng bộ từ thông 322.3 Tính toán lực hút dọc trục 352.3.1 Xác định lực dọc trục của ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnhcửu 35

2.3.2 Mô hình toán học của ĐC AFPM 452.4 Kết luận 47CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC483.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ AFPM 483.1.1 Cấu trúc điều khiển tổng quát 483.1.2 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp kinh điển 493.1.3 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp Backstepping-SMC

54

3.2 Các kết quả mô phỏng 603.2.1 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài PID, mạch vòng dòng điệnPID 61

3.2.2 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt 66CHƯƠNG 4 : HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 744.1 Hệ thống thí nghiệm 744.2 Kết quả thực nghiệm 894.2.1 Động cơ chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức n=1500 vòng/phút 89KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 95TÀI LIỆU THAM KHẢO 97PHỤ LỤC 108

Danh mục các bảng biểu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật nguồn DC GW INSTEK PSW 80-40.5 78

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của Encoder RE30E-500-213-1 79

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A 80

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu

B, Bδ T Mật độ từ thông, mật độ từ thông ở khe hở không khí

C 3/2 , C 2/3 Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ 2

pha và ngược lại

C 3s/2r , C 2r/3s Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định ba pha sang hệ

tọa độ quay 2 pha và ngược lại

C 2s/2r , C 2r/2s Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 2 pha sang hệ

tọa độ quay 2 pha và ngược lại

F 1 , F 2 N Lực điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra

F L N Lực ngoài tác động vào trục động cơ

F p , F s , FΣ Sức từ động kích từ, stđ tổng 3 pha stator, stđ tổng

g o mm Khe hở không khí giữa Stator và rotor

iα,iβ A Thành phần trục α,β của dòng điện

i A , i B , i C A Các dòng điện pha

i d , i q A Dòng điện trên trục d,q

I p , I f A Dòng kích từ một chiều

i sd , i sq A Thành phần trục d,q của dòng điện stator

J, j r KGm2 Mô men quán tính

L sd , L sq H Thành phần điện cảm dọc trục, ngang trục

M 1 , M 2 , m 1 , m 2 Nm Mô men điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra

R s , R r Điện trở cuộn dây stator, rotor

S m2 Diện tích mặt cắt của đường sức từ

S p m2 Diện tích cực từ tại khe hở không khí

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

u sd , u sq V Thành phần trục d,q của điện áp stator

ωs ,ω1 rad/s Tốc độ góc của từ trường stator

Các chỉ số bên phải, trên cao:

f đại lượng mô tả trên hệ tọa độ T4R (hệ tọa độ dq quay đồng bộ với vector từ thông

s, r đại lượng mô tả trên hệ tọa độ αβ cố định với stator, rotor

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

trục)AMB Active Magnetic Bearing (ổ đỡ từ chủ động)

AMM amorphous magnetic materials (vật liệu từ vô định hình)

ĐCĐB Động cơ đồng bộ

BSCCO Bismuth strontium calcium copper oxide

CAN Controller Area Network

CNC Computer Numeric Control (Điều khiển số dùng máy tính)CFD computational fluid dynamic (động học chất lỏng tính toán)DSP Digital signal processor (Xử lý tín hiệu số)

DSSR Double stator single rotor (hai stator một rotor)

EV electric vehicle (Xe điện)

FEA Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn)

FEM Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn)

FSCW Fractional-slot concentrated-winding (dây quấn tập trung rãnh

phân số)FVA Finite Volume Analysis (phân tích thể tích hữu hạn)

HTC high-temperature superconducting (siêu dẫn nhiệt độ cao)

LQG Linear Quadratic Gaussian

LSAFPM Line start AFPM (AFPM khởi động trực tiếp)

LSPM Line start permanent magnet (Máy điện kích thích vĩnh cửu khởi

động trực tiếp)MIMO multiple-input multiple-output (nhiều đầu vào nhiều đầu ra)NCVC nam châm vĩnh cửu

NGTL NOVA Gas Transmission Ltd

viii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

NS North – South (Bắc – Nam)

PC Personal Computer (máy vi tính)

PPC PowerPC (Máy tính chuyên dụng)

PID Proportional Integral Derivative (tỷ lệ vi tích phân)

PM Permanent Magnet (Nam châm vĩnh cửu)

RFPM Radial Flux Permanent Magnet (máy điện kích thích vĩnh cửu từ

thông hướng tâm)LRU Least recently used

SMC Sliding Mode Control (Điều khiển trượt)

SMC soft magnetic composites, soft magnetic compound (Hợp chất từ

mềm)

SS South – South (Nam – Nam)

SSDR Single stator double rotor (Một stator hai rotor)

SSSR Single stator single rotor (Một stator một rotor)

TFPM transverse flux PM ()

T4R Tựa theo từ thông rotor

XNCN Xí nghiệp công nghiệp

YBCO yttrium barium copper oxide

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu,

có tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ 2

Hình 1.1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N Tesla (a- hình chiếu đứng, b- hình chiếu cạnh, c- mặt cắt dọc) 6

Hình 1.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM 9

Hình 1.3 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC 9

Hình 1.4 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng 11

Hình 1.5 Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động 12

Hình 1.6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục) 12

Hình 1.7 Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB): hướng tâm (a), dọc trục (b) 13

Hình 1.8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục 14

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ AFPM tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục 29

Hình 2.2 Vector dòng stator khi ĐCĐB làm việc trong dải tốc độ quay danh định 31 Hình 2.3 Mô hình liên tục của của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 35

Hình 2.4 Mạch từ lõi thép chữ C 36

Hình 2.5 Quan hệ phi tuyến giữa từ thông móc vòng Ψ và dòng điện i 39

Hình 2.6 Mô hình xác định các từ thông móc vòng của ĐC AFPM 41

Hình 2.7 Mô hình xác định từ thông móc vòng và lực đẩy kéo của stator 1 (a) và stator 2 (b) với rotor 41

Hình 2.8 Sơ đồ thay thế mạch từ của ĐC đồng bộ từ thông dọc trục NCVC 42

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của ĐC AFPM có tích hợp ổ từ dọc trục 46

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục 48

Hình 3.2 Cấu trúc dòng điện của động cơ AFPM 49

Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện có khâu tách kênh Rii 51

Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ 52

Hình 3.5 Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục 53

Hình 3.6 Cấu trúc mô phỏng điều khiển động cơ AFPM 61

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định mức và chưa có lực dọc trục tác động 62

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định mức và có lực tác động dọc trục 63

Danh mục hình vẽ

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và chưa có

lực tác động dọc trục 64

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và có lực tác động dọc trục 65

Hình 3.11 Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping 66

Hình 3.12 Kết quả mô phỏng với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt 67

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ không tải và có lực dọc trục tác động 68

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và không có lực dọc trục tác động 69

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và có lực dọc trục tác động 70

Hình 3.16 So sánh kết quả mô phỏng của hai phương pháp 72

Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống thí nghiệm 74

Hình 4.2 Động cơ AFPM 75

Hình 4.3 Stator của động cơ AFPM 75

Hình 4.4 Sơ đồ đấu dây Stator của động cơ AFPM 75

Hình 4.5 Rotor của động cơ AFPM 76

Hình 4.6 Động cơ AFPM với tải là máy phát một chiều 76

Hình 4.7 Bộ nguồn một chiều lập trình được 77

Hình 4.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của encoder 78

Hình 4.9 Encoder RE30E-500-213-1 của NIDEC COPAL 79

Hình 4.10 Cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A 80

Hình 4.11 dSPACE DS1104 81

Hình 4.12 Connector/LED panel CLP1104 82

Hình 4.13 Cấu trúc phần cứng của DS1104 83

Hình 4.14 Thư viện dSPACE RTI1104 86

Hình 4.15 Giao diện điều khiển hệ thống 87

Hình 4.16 Hệ thống thí nghiệm động cơ AFPM 87

Hình 4.17 Toolbars của ControlDesk 88

Hình 4.18 Thiết lập thời gian quan sát thí nghiệm Capture settings 88

Hình 4.19 Kết quả thực nghiệm ĐC chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức 90

Hình 4.20 Kết quả thực nghiệm động cơ với tốc độ bằng tốc độ định mức 91

Mở đầu

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các hệ truyền động sử dụng động cơ điện (ĐC) xoay chiều đã được nghiên cứuphát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng từ những năm 80 của thế kỷ 20,nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn

và giá thành rẻ Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề tồn tại trong hệ truyền động xoay chiều

là yêu cầu bảo dưỡng và thay thế các vòng bi cơ Trong nhiều ứng dụng thực tế, vấn đềbảo dưỡng và thay thế vòng bi cơ thực sự rất khó khăn đòi hỏi chuyên gia trình độ caohoặc chi phí rất lớn Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể sử dụng trong môi trườngchân không, môi trường nhiệt độ rất cao, rất thấp hoặc trong các môi trường yêu cầu rấtsạch (chế biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu, ) và tốc độ rất cao Để đápứng được các yêu cầu này thì hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơđồng bộ (ĐCĐB) là một trong những lựa chọn phù hợp nhất hiện nay và đang được đẩymạnh nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới

Các lĩnh vực ứng dụng chính của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụngĐCĐB có thể phân loại sơ bộ như sau:

- Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của ĐCĐB chuyểnđộng không có tiếp xúc với phần cố định, nên tổn hao do ma sát gần như bằngkhông Điều này cho phép ĐCĐB làm việc với hiệu suất và tốc độ quay rất cao Cácứng dụng dạng này thường tập trung vào các máy nén cao tốc, các máy công cụ [3]

- Các ngành công nghệ sạch: Trục quay của ĐCĐB không tiếp xúc với phầntĩnh do đó không có các hạt bụi do mài mòn tạo ra cũng như không cần sử dụng cácchất bôi trơn Kết quả là không gây ô nhiễm tới môi trường xung quanh Với ưuđiểm này hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB đang được đẩy mạnhnghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, côngnghệ sinh học (bơm hóa chất [4], bơm máu trong tim nhân tạo [5][6] )

- Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn,

hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB còn được nghiên cứu ứngdụng trong các môi trường rất lạnh [7], [8]

Qua những phân tích đánh giá trên, dễ dàng nhận thấy rằng hệ thống truyềnđộng không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB là một sản phẩm khoa học công nghệ mới trênthế giới Vì vậy, nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ bằng các bộ điều khiểnhiện đại là rất cấp thiết và có nhiều ý nghĩa

Mở đầu

2 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục theo hướng thiết kế điều khiển

để ĐC đồng thời sinh ra mô men quay và lực dọc trục để giữ rotor của ĐC ở vị trícân bằng mà không cần bổ sung thêm ổ đỡ từ chặn chuyển động dọc trục

ĐC điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (động cơAFPM) có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục, khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trụcnhư minh họa trên hình 1, hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứađựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanhmới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn vàgiá thành cao,… Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu sản xuất được cácvật liệu mới để giảm kích thước và giảm giá thành thì sự thay thế của ĐC điện loạinày cho ĐC điện thông dụng trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bịquốc phòng và công nghiệp vũ trụ,… là điều tất yếu

Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu, có

tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ

Phạm vi nghiên cứu:

Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan về AFPM, từ đó đề xuất chọn cấu hình

nghiên cứu gồm: Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu, có

tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trục trong dây quấn stator động cơ và hai

ổ đỡ từ hướng tâm hai đầu trục Trên cơ sở cấu hình đã chọn, tiến hành xây dựng mô

hình toán học của ĐC sau đó thực hiện cấu trúc điều khiển đảm bảo ĐC vừa sinh

Mở đầu

mô men quay vừa tạo lực dọc trục để giữ rotor tại vị trí cân bằng Phân tích và lựachọn phương pháp điều khiển phù hợp với đối tượng nhằm đạt được chất lượng điềukhiển cao nhất

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm bằng máy tính và mô hình thực Các vấn đề khoa học và công nghệ được tiến hành theo phương pháp kinh điển về nghiên cứu phát triển đó là:

- Nghiên cứu lý thuyết chung về ĐCĐB tạo lực hút dọc trục

- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng xây dựng cấu trúc và thuật điều khiển đảm bảo phân ly giữa lực nâng và mômen điện từ

- Nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình thực và hiệu chỉnh

3 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu và thiết kế điều khiển cho hệ truyềnđộng không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB từ thông dọc trục Mục tiêu nghiên cứu củaluận án được cụ thể như sau:

- Nghiên cứu mô hình của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng

ĐCĐB phục vụ thử nghiệm

- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển phi tuyến đảm bảo chất lượng hệ thốngtruyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB Kiểm chứng chất lượng điều khiển hệthống bằng mô phỏng và thực nghiệm

4 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Những đóng góp mới

- Xây dựng được mô hình toán cho động cơ AFPM và tính lực tác dụng dọc

trục có kể đến tương tác của các dòng điện i sd , i sq và chuyển dịch dọc trục z;

- Thiết kế được bộ điều khiển dòng điện với giải pháp tách kênh triệt để bằng các bộ bù phân ly;

- Thiết kế bộ điều khiển tốc độ bằng phương pháp Lyapunov sử dụng kỹ thuật Backstepping;

- Thiết kế thành công bộ điều khiển trượt cho mạch vòng vị trí

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh các bộ điều khiển cho

ba mạch vòng: Dòng điện, tốc độ và vị trí đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra

Ý nghĩa khoa học của luận án

Mở đầu

- Trong hệ thống truyền động này, trục của ĐC trước khi quay đã được nânghoàn toàn trong không gian nhờ hai ổ đỡ từ hướng tâm nên nó không tiếp xúc vớibất kỳ vật nào, do đó chuyển động quay của trục rotor không gây ra hao mòn, không

có ma sát và không cần chất bôi trơn cũng như có khả năng chuyển động ở tốc độrất cao

- Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra mômen quay trong hệ thống truyền động không tiếp xúc Điều khiển thành công hệtruyền động này sẽ tạo ra sản phẩm có hàm lượng khoa học công nghệ Ngoài racũng góp phần đáng kể trong việc tiếp cận và làm chủ được một ngành công nghệtiên tiến trên thế giới về ứng dụng đệm từ trường

- Do có tính năng kết hợp vừa tạo mô men quay, vừa tạo lực hút dọc trục, nênđộng cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu không phải sử dụngthêm ổ từ chặn chuyển động dọc trục

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng điều khiển động cơ trong các hệtruyền động có tốc độ cao và siêu cao (bơm hêli lỏng trong máy chụp cộng hưởng từ),cho xe điện với công suất đến 130 KW, cho các hệ tích trữ cơ năng bằng bánh

đà,…

5 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 04 chương và kết luận, được bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ

Chương 2: Mô hình hóa ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ

Chương 3: Điều khiển ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ

Chương 4: Hệ thống thí nghiệm và kết quả thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC 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 ĐC xoay chiều trở nên dễdàng và đạt được những chỉ tiêu chất lượng cao Trong các ngành công nghiệp, các

hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện một chiều đang được thay thế bằng hệthống truyền động điện sử dụng ĐC điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) Do đó, các

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

Chương này tập trung nghiên cứu tổng quan ĐCĐB từ thông dọc trục kích từnam châm vĩnh cửu trong điều kiện ràng buộc là hai đầu trục của ĐC sử dụng hai ổđỡ từ Các ổ đỡ từ này chỉ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn được dịch chuyểndọc trục của rotor Để chặn dịch chuyển dọc trục của rotor khi quay, tác giả đề xuấtloại ĐCĐB từ thông dọc trục có cấu tạo đặc biệt, vừa tạo ra mômen quay cho rotorvừa chặn được chuyển dịch dọc trục của nó Điều đó, không làm tăng kích thướccủa ĐC 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 thínghiệm 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 chokích thước ĐC nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, mang tính động học và có hiệu suất tốt hơn

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

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

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

ĐB do được kích thích bằng dòng điện một chiều có thể làm việc với cosϕ bằng 1

và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất củalưới điện được nâng cao, làm giảm được tổn thất điện áp lưới và tổn hao công suấttrên đường dây Ngoài ưu điểm chính đó, ĐC điện ĐB còn ít chịu ảnh hưởng đối với

sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của ĐC chỉ tỷ lệ với điện áp nguồncung cấp (U), trong khi mômen của ĐC điện KĐB tỷ lệ với bình phương của điện

áp nguồn cung cấp (U2) Vì vậy, khi điện áp của lưới bị sụt thấp do sự cố, khả nănggiữ tải của ĐC điện ĐB lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, ĐC điệnđồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lướiđiện Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất của ĐC điện ĐB cao hơn hiệu suất của ĐCđiện KĐB vì ĐC điện ĐB có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt từ nhỏhơn Nhược điểm của ĐC điện ĐB so với ĐC điện KĐB ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòihỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giáthành cao (chủ yếu đối với máy điện đồng bộ cực lồi công suất lớn) Hơn nữa, việc

mở máy ĐC điện đồng bộ cũng phức tạp và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thểthực 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 nam châm vĩnh cửu từ thông

dọc trục

Hình 1.1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N Tesla

(a- hình chiếu đứng, b- hình chiếu cạnh, c- mặt cắt dọc).

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 vớicác nam châm vĩnh cửu đầu tiên, 1832, W Ritchie, 1833, B Jacobi, 1834) Nguyênmẫu 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) [59]

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

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 [111] có tiêu đề ĐC 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 [35,106] cho một máy điện từ thônghướng tâm, các máy điện từ thông hướng tâm thông dụng được chấp nhận rộng rãinhư là cấu hình chủ đạo đối với các máy điện [26,28]

Sự phát triển của máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (AxialFlux Permanent Magnet - AFPM) khá chậm so với các máy điện từ thông hướng tâmkích từ nam châm vĩnh cửu (Radial Flux Permanent Magnet - RFPM) nguyên nhân là

do thiếu công nghệ chế tạo máy điện AFPM [118] vì gặp phải các khó khăn như: Lựchấp dẫn từ tính dọc trục giữa stator và rotor lớn, chi phí cao liên quan đến chế tạo cáclõi stator ghép bằng các lá thép và khó khăn trong lắp ráp máy điện để giữ cho khe hởkhông khí đều,…mặt khác, mặc dù hệ thống kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) đầutiên được áp dụng cho máy điện từ đầu những năm 1830, nhưng do chất lượng kém củacác vật liệu từ cứng đã ngăn cản việc sử dụng NCVC Việc phát minh ra hợp kimAlnico vào năm 1931, barium ferrite vào những năm 1950 và đặc biệt là vật liệu đấthiếm neodymium-iron-boron (NdFeB) được công bố năm 1983, đã cho phép sự trở lạicủa hệ thống kích từ NCVC Hiện tại, sự sẵn có của các vật liệu NCVC năng lượng cao

là động lực cho việc khai thác các cấu trúc máy điện kích từ NCVC mới và vì vậy đãthúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng máy điện AFPM Giá của cácNCVC đất hiếm đã giảm mạnh trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20 Một khảo sát thịtrường cho thấy rằng các NCVC NdFeB hiện nay có thể được mua ở vùng Viễn Đôngvới 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 Ngàynay, máy điện AFPM đã trở thành đối tượng của nhiều nghiên cứu quan trọng khắp thếgiới 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 tiêudùng đến các ứng dụng công nghiệp cao và quân sự, từ các hệ thống năng lượng tái tạođến vận tải, đó là những ứng dụng yêu cầu tính cực kỳ nhỏ gọn theo hướng trục đi đôivới mật độ mô men và hiệu suất cao

1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu

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

ở ba kiểu sau:

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

- 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 kíchthích vĩnh cửu có những điểm khác nhau Máy điện một chiều không chổi than vàmáy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo giống nhau nhưng khác nhau vềnguyên lý hoạt động Dạng sóng sức điện động tạo ra bởi máy điện một chiều khôngchổi than có dạng hình thang

Các ĐC cổ góp một chiều AFPM vẫn là một lựa chọn linh hoạt và kinh tế chomột số ứng dụng công nghiệp, ứng dụng trong ô tô và thiết bị gia dụng nhất địnhnhư 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 ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (gọi tắt là ĐC AFPM).

Cuối năm 1970 đầu năm 1980, đã xuất hiện nhiều cấu trúc mới của ĐC AFPM(Campbell, 1975; Leung and Chan, 1980; Weh et al., 1984) Từ đó cho đến nay, sựquan tâm đến ĐC điện AFPM tăng lên đáng kể và tìm thấy trong nhiều ứng dụng do

ưu điểm của chúng so với các ĐC điện đồng bộ từ thông hướng tâm (ĐC RFPM)thông dụng [19] Chẳng hạn như: Vì được kích thích vĩnh cửu nên chúng có hiệusuất lớn hơn do tổn thất ở mạch kích từ được loại bỏ, giảm đáng kể tổn thất ở rotor.Hiệu suất của ĐC điện này vì vậy được cải thiện rất nhiều và mật độ công suất đạtđược lớn Cấu trúc từ thông dọc trục có rất ít vật liệu lõi cho nên đạt được tỷ số mômen/khối lượng cao ĐC điện AFPM có các nam châm mỏng, do đó kích thước củachúng cũng nhỏ hơn so với các ĐC điện RFPM Kích thước và hình dạng là nhữngtính năng quan trọng trong các ứng dụng khi không gian lắp đặt có nhiều hạn chế, vìvậy tính tương thích là rất quan trọng Tiếng ồn và rung động chúng tạo ra ít hơn sovới 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 ĐC AFPM nhiều ưu thế so với cácmáy điện thông dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau

Về mặt cấu tạo, ĐC AFPM có những nét đặc biệt riêng, chẳng hạn modulstator 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, modulrotor đơn chỉ một mặt có nam châm vĩnh cửu và modul kép thì cả hai mặt đều cónam châm vĩnh cửu (Hình 1.2)

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Hình 1.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM.

1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Có nhiều cấu hình ĐC AFPM được phân chia chủ yếu dựa vào số lượng vàcách bố trí các modul stator và rotor, ví dụ như trên hình 1.3 Cấu hình nào mà khảnăng 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 hìnhthứ tư (hình 1.3.d), được kết hợp bởi 5 modul (hai modul stator kép, hai modul rotorđơn và một modul rotor kép), lớn gấp đôi so với mô men của cấu hình thứ hai vàthứ ba là những cấu hình gồm có 3 modul (hình 1.3c: một modul stator kép và haimodul rotor đơn) và hình 1.3b (hai modul stator đơn và một modul rotor kép), vàlớn hơn 4 lần mô men được tạo ra ở cấu hình thứ nhất, (hình 1.3a - một modul statorđơn và một modul rotor đơn)

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

Cần chú ý rằng các cấu hình minh họa ở hình 1.3b và 1.3c 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 so sánh và ứng dụng như sau:

- ĐC AFPM một tầng như 1.3a có các ứng dụng trong lực kéo công nghiệp, cáctruyền động điện cơ servo, quân sự, công nghiệp vận tải, và thang máy không hộp số vìcấu trúc nhỏ gọn và khả năng sinh mô men cao [52] Nhược điểm cơ bản của máyđiện này là lực dọc trục không cân bằng giữa stator và rotor, có thể vặn xoắn cấu trúc

một cách dễ dàng [24] Để đạt được mô men quay cực đại với lực dọc trục cực tiểu,

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

có thể sử dụng một số phương pháp là: điều chỉnh các thành phần dòng điện dâyquấn stator, các thành phần này được chiếu lên các hệ trục vuông góc tương ứng vớicác vị trí rotor; stator không rãnh; các phương án bố trí ổ đỡ phức tạp; đĩa rotor dầyhơn và dịch pha dòng điện [25],…

- ĐC AFPM nhiều tầng gồm N modul stator và N+1 modul rotor trên cùng mộttrục (Hình 1.3b,c,d) Dây quấn stator có thể được nối song song hoặc nối tiếp Cấu trúcnhiều tầng làm tăng mật độ mô men, mật độ công suất mà không làm tăng đường kínhcủa máy điện Các ĐC AFPM nhiều tầng có thể dễ lắp ráp hơn so với ĐC RFPM dokhe hở không khí của chúng phẳng [12,20,36,37,38,39,44,46,73,75,78,82,98]

1.3.2 Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

ĐC AFPM có các ưu điểm như: hiệu suất cao, tỉ lệ công suất trên kích thướclớn, mật độ công suất cao, tuổi thọ lớn, mô men quán tính nhỏ, dải tốc độ làm việcrộng, tỉ số momen/dòng điện lớn, ít nhiễu, bền vững,… Vì thế, ĐC AFPM đã vàđang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độchất lượng cao như xe điện, robot công nghiệp, máy CNC, các thiết bị y tế, quaybánh đà trong các hệ tích trữ năng lượng và có những ưu thế gần như tuyệt đối trongứng dụng cho ô tô điện,…

Khi có yêu cầu sử dụng ĐC AFPM cho truyền động quay tốc độ càng cao càngtốt như trục chính máy mài (tốc độ chỉ giới hạn của độ bền cơ học của đá mài) vớiyêu 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 đầutrục Như vậy, khi muốn quay trục rotor ĐC thì trước hết nó sẽ được nâng lên vàkhông tiếp xúc với phần tĩnh như vòng bi cơ thông thường, điều đó sẽ xuất hiệnchuyển động dọc trục của rotor Để chặn chuyển động dọc trục này, trong ĐC thôngdụng phải sử dụng thêm ổ từ dọc trục Điều đó, làm cho cấu trúc hệ thống trở nênrất cồng kềnh Nhiều nghiên cứu gần đây, đã đưa ra mô hình tích hợp ổ từ dọc trụcvào dây cuốn stator ĐC nhằm giảm kích thước chung cho hệ thống Vì lý do đó,trong nghiên cứu này ta chọn đối tượng nghiên cứu là ĐC AFPM có cấu trúc haimodul stator hai bên và một modul rotor kép ở giữa

Ngoài ra, các ĐC 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 mặthoặc chìm bên trong lõi, modul stator có sẻ rãnh hoặc không có rãnh, có lõi

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

phần ứng hoặc không có lõi, dây quấn trên stator dạng vòng hoặc dạng trống, mộttầng hoặc nhiều tầng,…

1.3.3 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ

Từ trước đến nay, các hệ truyền động thông dụng sử dụng các loại ĐC điệnthông 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 ĐC điện thông dụng (1- Trục; 2- Rotor; 3- Stator và dây quấn; 4- Vòng bi trái; 5- Vòng bi phải).

1.3.4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC

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 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 việcứng dụng và phát triển trong công nghiệp Từ những năm 1988 trở lại đây, do sự pháttriển trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần mềm cũng như kỹ thuật vậtliệu và công nghệ chế tạo cơ khí, góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp cũngnhư giá thành của ổ từ Điều đó, đã tạo cơ hội cho việc phát triển sử dụng ổ từ trongcông 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 ĐC 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 ĐC, 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

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo và sản xuất nhờnhững ưu điểm nổi bật mà vòng bi không có được như: Không có hao mòn khi vậnhành do phần quay của ĐC không tiếp xúc với bất kỳ bộ phận nào; Tăng hiệu suấtcủa ĐC nhờ chuyển động không có ma sát; Thân thiện với môi trường: Không có bộphận bôi trơn; khả năng làm việc với tốc độ rất cao và loại bỏ các rung động khichuyển động; khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt (chân không;nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp)

Hình 1.5 Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động

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

Hình 1.6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng

trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục).

Để nhận thấy điều này ta sẽ phân tích cấu trúc của một ĐC điện sử dụng ổ từthông thường được mô tả ở hình 1.6 Khi vòng bi cơ bị loại bỏ thì ĐC điện sử dụng

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

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

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

là ĐC 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 ĐC điện (stator xẻ rãnh và đặt dây quấn, rotor làm bằng vật liệu từtính đặc biệt) nhưng nguyên lý làm việc của nó lại giống nam châm điện [15,50,91]

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

1.3.5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Các nghiên cứu gần đây đang tập trung vào việc giảm kích thước và giá thànhcho ĐC có sử dụng ổ từ thông qua việc tích hợp chức năng của ổ từ vào ĐC Thànhcông ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A Chiba tại đại họcTokyo – Nhật Bản

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

Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ từ dọc trụcvào ĐC [91] (Hình 1.8) Thông qua phương pháp điều khiển mới, ĐC có thêm chứcnăng 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 làkích thước và giá thành của ĐC điện dùng ổ từ sẽ suy giảm đáng kể

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Hình 1.8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục 1: Trục; 2, 3: Stator của ĐC phải và ĐC trái; 4: Rotor của ĐC; 5,6: Rotor của AMB trái

và AMB phải; 7,8: Stator và dây quấn của AMB trái và AMB phải; z 0 , g 0 : Khe hở danh định giữa rotor và stator của ĐC và AMB.

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Các hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện có tích hợp chức năng ổ đỡ từnhư máy bơm, tuốc bin khí, máy nén khí, máy công cụ,… sẽ có hiệu suất cao do íttổn hao Chính vì vậy, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quảtrong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất12MW với tốc độ quay là 12.000 vòng/phút sử dụng ĐC điện dùng ổ đỡ từ đượcthay thế cho ĐC sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.000kWh/năm [61]

Với ưu điểm này, ĐC điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ đang được đẩy mạnhnghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học (bơmhóa chất [80]), công nghệ y sinh học (bơm máu trong tim nhân tạo [86,110]) Mộthướng nghiên cứu nữa cũng đang được quan tâm là sử dụng ĐC điện với chức năngtích hợp với ổ đỡ từ làm việc trong môi trường sạch tuyệt đối, môi trường khắcnghiệt (chân không, có nhiệt độ rất cao và rất thấp, Trong thực tế, các hệ truyềnđộng điện sử dụng ĐC có tích hợp chức năng ổ từ, đã làm việc trong môi trườngchân không không cần chất bôi trơn ổ trục, làm việc trong các môi trường rất lạnh(bơm khí helium lỏng: -1760C [71]) hoặc rất nóng (5500C [90])

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

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Đại học Tokyo – Nhật Bản [15] Bằng cách tích hợp chức năng của ổ đỡ từ hướngtâm vào ĐC điện, kích thước của ĐC điện dùng ổ đỡ từ đã được giảm đáng kể (giảmkhoảng 25%) tuy nhiên, cấu trúc của ĐC phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ khí(cuộn dây ổ đỡ từ được quấn cạnh cuộn dây ĐC) và số bộ biến đổi điện tử công suất

sử dụng cho ĐC vẫn giữ nguyên Do đó giá thành của ĐC kiểu này vẫn cao

Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ đỡ từ dọctrục vào ĐC [91] Thông qua phương pháp điều khiển mới và với cấu tạo đặc biệt,

ĐC có thêm chức năng sinh ra lực nâng dọc trục mà không cần bổ sung thêm dâyquấn 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 ĐC 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 ĐC bị chặn Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồng

bộ ĐC điện dùng ổ đỡ từ theo một khối thống nhất sẽ thành công trong việc giảmkích thước và giá thành, góp phần nhanh chóng đưa ĐC điện dùng ổ đỡ từ vào ứngdụng rộng rãi trong công nghiệp

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Mặc dù, khái niệm về hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC (nhất là loại ĐCđiện ĐB AFPM) có tích hợp chức năng ổ đỡ từ mới xuất hiện trong thời gian gầnđây, nhưng đã thu hút mạnh mẽ nghiên cứu của các nhà khoa học và nghiên cứusinh Trong đó nổi bật là hai trung tâm nghiên cứu về ổ đỡ từ và ĐC điện dùng ổ đỡ

từ thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên

Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật điều khiển và từ độnghóa, bộ môn Tự động hóa XNCN của Viện Điện, thông qua chương trình phối hợpnghiên cứu với trường Đại học Ritsumeikan – Nhật Bản, mô hình ĐC điện tự nângvới 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 vàứng dụng cho ĐC, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí hàng đầu thếgiới về Kỹ thuật điện

Thông qua chương trình phối hợp nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh tại bộmôn Tự động hóa, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học TháiNguyên với các Giáo sư ở trường đại học Curtin (Curtin University - Australia),

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

các thuật toán điều khiển nâng cao cho ổ đỡ từ đã được nghiên cứu Bước đầu đã cómột số công trình nghiên cứu về điều khiển ổ đỡ từ chủ động hướng tâm, được đăngtải trên các tạp chí chuyên ngành và các hội thảo toàn quốc về tự động hóa Cácnghiên cứu về điều khiển ĐCĐB AFPM có tích hợp chức năng ổ đỡ từ mới đang bắtđầu được tiến hành

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1) Nghiên cứu về tối ưu hóa thiết kế ĐC AFPM

Các nghiên cứu về tối ưu hóa thiết kế cho máy điện AFPM tập trung vào việchiệu chỉnh hình dạng thông qua lựa chọn các tham số hình học, các phương phápxác định hoặc các phương pháp tính toán mềm Aydin et al [76] đã phát triển cácmáy điện AFPM có kích thước tối ưu cho cả cấu trúc liên kết SSDR và DSSR,nhưng chỉ có hai tham số (tỷ số đường kính và mật độ từ thông ở khe hở không khí)được xem như là các biến tối ưu và việc tối ưu hóa được thực hiện thông qua hiệuchỉnh hình dạng Trong tất cả các phương pháp hiệu chỉnh hình dạng, có nhiều lựachọn trong số các tham số đặc tính và các phương pháp này không thể áp dụng đượccho các bài toán tối ưu đa mục tiêu Trong một số nghiên cứu, giá trị tối ưu của tỷ sốđường kính trong và đường kính ngoài λ ≈ 0.58 được chọn nhằm có được công suấtđầu ra cực đại trong máy điện AFPM [105]

Các phương pháp tính toán mềm được đề xuất như là một giải pháp cho cácbài toán tối ưu đa mục tiêu do có các hệ thống máy tính hiệu quả cao và các thuậttoán mới, tính toán nhanh Các kỹ thuật tối ưu hóa tiêu chuẩn gồm có phương pháptìm kiếm ngẫu nhiên, phương pháp Hook và Jeeves, phương pháp Powell và thuậttoán Gen (GA) [22] Phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên mất nhiều thời gian để hội

tụ và hoàn toàn phụ thuộc vào điểm bắt đầu, trong khi phương pháp Hook và Jeeveschậm hơn nhưng chính xac hơn [100] Phương pháp Powell nhanh chóng đạt đượclời giải tối ưu nhưng không bền vững khi đối diện với các bài toán phức tạp hơnhoặc khi giá trị cực tiểu toàn cục bị ẩn trong nhiều giá trị cực tiểu cục bộ

Trong [83] đã đưa ra một thiết kế tối ưu hóa bầy đàn (PSO: Particle swarm

optimization) động cơ AFPM được tạo ra có số lượng cuộn dây ít hơn, chiều cao

răng thấp hơn, và tỷ lệ đường kính thấp hơn để hạn chế tổn thất đồng.

2) Nghiên cứu về vật liệu, cấu tạo và chế tạo ĐC AFPM

Một số lượng đáng kể các nghiên cứu gần đây liên quan đến khía cạnh vậtliệu, cấu tạo và chế tạo ĐC AFPM

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

- Các nghiên cứu về vật liệu chế tạo ĐC AFPM: Nhu cầu về các máy điện trọnglượng nhỏ, giảm tổn thất và tăng mật độ công suất đã dẫn đến những nghiên cứu toàndiện về các ứng dụng của các vật liệu mới trong cấu tạo của máy điện AFPM Việc sửdụng vật liệu từ vô định hình AMM, vật liệu tổng hợp từ mềm SMC, thép định hướnghạt, polime tích điện, chất siêu dẫn, vật liệu siêu tĩnh và nhựa trong cấu tạo của máy

điện AFPM đã được đánh giá trong các bài báo gần đây Masson et al [87]

đề xuất một ĐC từ thông dọc trục siêu dẫn nhiệt độ cao HTC cho hệ thống đẩy của máybay Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy việc sử dụng chất siêu dẫn YBCIO vê tròn thaycho các NCVC thông thường làm tăng khả năng dung lượng từ thông lên tới 17 T ở 29

°K với mật độ mô men xấp xỉ 18 Nm/kg và hiệu suất đạt 99% Wang et al [121] thiết

kế và thử nghiệm một ĐC AFPM sử dụng vật liệu từ vô định hình làm các lõi stator và

các nam châm ferrite làm rotor, đã làm tăng hiệu suất lên đến 90%,…

- Các nghiên cứu về cấu tạo và chế tạo máy điện AFPM: Trong [116] Fei et al.thiết kế và xây dựng một máy điện 6 kW, 1200 vòng/phút, 5 cặp cực, q = 0.2 cho ứngdụng truyền động trực tiếp trong bánh xe Nhằm tăng mật độ mô men đối với máyđiện, các răng stator được làm từ thép từ tính cán mỏng Vì răng được vuốt thuôn theohướng hướng tâm sao cho stator có các rãnh song song Đối với cấu trúc liên kết này,

đã đạt được một hệ số điền đầy rãnh bằng 52% Các kết quả thực nghiệm cho thấy

sự phù hợp với yêu cầu, hiệu suất đạt trên 90% Ba bài báo [48,49,79], tập trung chúý vào chế tạo dây quấn, nghiên cứu các khía cạnh như độ dài của các mối nối cuối

và các cấu hình không xếp chồng Tất cả các máy điện đều có công suất định mức 1

kW, tốc độ định mức 200 vòng/phút và 12 cặp cực Các kiểm tra thực nghiệm chothấy các dây quấn tập trung không xếp chồng có đặc tính mô men tương tự nhưngtốt hơn so với các dây quấn xếp chồng bình thường và cũng cho phép giảm 15%khối lượng đồng,…

Trong [84] nghiên cứu APFM được chế tạo mà không có lõi stator, nhằm giảmtổn thất, giảm độ nhấp nhô của mô men xoắn và đơn giản hóa cho sản xuất và lắpráp Mẫu hai AFPM thông thường và không có lõi thép stator đều được thử nghiệmcho các xe điện chạy năng lượng mặt trời Thiết kế AFPM không có lõi thép statorgiảm tổn thất và khối lượng cho động cơ, khoảng cách không khí giữa stator vàrotor lớn hơn khi cùng tạo ra một mô men xoắn

Trong [72] trình bày thiết kế tối ưu hóa và phân tích AFPM (hai rotor đơn bênngoài stator kép ở giữa) cho hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà (FESS:Flywheel Energy Storage System) Thiết kế AFPM bằng phương pháp phần tử hữu

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

hạn để tìm thấy góc nghiêng tối ưu là hiệu quả trong việc giảm đáng kể nhấp nhô(gợn sóng) của mô-men xoắn ảnh hưởng đến lực tĩnh lên Điều thứ hai là rất quantrọng vì nó có thể được sử dụng để giảm thiểu áp lực vòng bi trục trong FESS

3) Các nghiên cứu tập trung phân tích máy điện AFPM

a Phân tích điện từ

Sung et al [101] đề xuất một phương pháp phân tích trường điện từ của mộtmáy phát AFPM SSDR sử dụng các phương trình tựa 3-D cải tiến và phương trìnhMaxwell Tác giả đã giới thiệu một phương pháp giải tích nhằm phân tích phân bố

từ trường và đánh giá các tham số của mạch tương đương, phương pháp này đã làmgiảm đáng kể thời gian phân tích trong khi duy trì độ tin cậy cao Máy phát đượcthiết kế có lõi stator không răng để giảm mô men răng cưa và giảm các cuộn dâykiểu quấn vòng được đặt trong lõi stator Từ thông tản được xem xét vì nó chiếm ưuthế trong các bán kính trong và ngoài của loại máy điện này Các thí nghiệm thực tế

đã kiểm chứng tất cả các kết quả phân tích

Lee et al [97] đề xuất một phương pháp hình ảnh từ nạp (magnetic charge) đểphân tích các đặc tính của các ĐC AFPM không rãnh Phương pháp hình ảnh thay thếcác hiệu ứng biên của từ trường thực bằng một phân bố đơn giản của dòng điện hoặcđiện tích phía sau đường biên Từ trường mong muốn có được bằng cách cộng các từtrường thực (applied field) và từ ảnh (image field) Phương pháp hình ảnh được yêu cầubắt buộc cho từ trường ở cả hai phía của đường biên, tuy nhiên kiến thức của một nhómhình ảnh sẽ dẫn ra các hình ảnh khác, vì các giải pháp cho cả hai vùng được liên kết vớinhau bằng các điều kiện biên Độ ổn định về cơ khí được tăng cường bằng cách giảmcác ảnh hưởng của các lực thông thường, rung động và nhiễu âm tần So sánh giữa kếtquả tính toán và thực nghiệm đã chỉ ra những sai lệch Ví dụ, khoảng 8% sai lệch ở giátrị định của sức phản điện động là do sự bão hòa của mạch từ

Chan et al [108] đề xuất một mô hình giải tích bán kính trung bình cho một máyphát đồng bộ AFPM một phía không lõi thép (ironless single-sided AFPM synchronousgenerator) Các phương trình Laplace được giải trong hệ tọa độ vuông góc để tính toáncác từ thế (magnetic potential) sử dụng phương pháp chuỗi Fourier Một mô hình bảng-

đa dòng điện (multicurrent-sheet) được thực hiện để tính toán từ trường phản ứng phầnứng, có xét đến các dây dẫn phần ứng phân tán (distributed armature conductors) Đểkiểm chứng độ chính xác của các kết quả giải tích, sử dụng phương pháp 2-D để tínhtoán từ trường Các kết quả giải tích cho thấy các giá trị từ

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

trường cao hơn một chút, nhưng nói chung chỉ sai lệch 3% so với kết quả tính toáncủa FEM

b Phân tích mô men răng cưa

Mô men răng cưa do sự ảnh hưởng qua lại (xen kênh) giữa độ từ dẫn mạchkích từ và từ dẫn ở khe hở không khí Trong máy điện kích từ NCVC, mô men răngcưa xuất hiện từ xu hướng tự căn chỉnh của NCVC theo đường dẫn có từ trở tốithiểu do vị trí trí tương đối giữa rotor và stator quyết định Mô men răng cưa gây rarung động và nhiễu đồng thời làm suy giảm chất lượng đáp ứng điều khiển chuyểnđộng, đặc biệt ở tốc độ thấp và tải nhỏ Mô men răng cưa được tính toán bằng cách

sử dụng năng lượng từ trường tích lũy trong không gian tự do [47] Trong số côngtrình nghiên cứu làm suy giảm mô men răng cưa trong máy điện AFPM như: Aydin

et al [74] đã tối thiểu hóa giá trị mô men răng cưa bằng cách thay đổi góc pha của

mô men răng cưa Điều này đạt được bằng cách sử dụng hai cung cực từ NCVC(PM pole arcs) và đồng thời giảm biên độ của mỗi phần Kết quả thí nghiệm chothấy mô men răng cưa đỉnh bằng 8.8% mô men định mức

Letelier et al [9] nghiên cứu khoảng cách rãnh stator và độ xiên (độ nghiêng)của NCVC trong việc giảm mô men răng cưa Khoảng cách rãnh stator giảm mômen răng cưa đến 50% Tuy nhiên, tần số của dạng sóng răng cưa tăng gấp đôi và

mô men trung bình giảm Ảnh hưởng quan trọng nhất của góc nghiêng là sự thayđổi của răng cưa đối với trường hợp vị trí cực rotor đối xứng và không đối xứng.González et al [31] nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng NCVC và khoảngcách cạnh stator đến mô men răng cưa Các tác giả sử dụng cả hai NCVC dạng lồi

và dạng lõm để làm giảm mô men răng cưa nhưng cả hai dạng đều cho tỷ lệ giảmgiống nhau (khoảng 60%) Tuy nhiênm máy điện có NCVC dạng lõm tạo ra mômen điện từ cao hơn khoảng 2% so với máy điện NCVC dạng lõm

Brown et al [105] đã phân tích ảnh hưởng của sai số chế tạo stator đến mômen răng cưa Một phương pháp siêu định vị (superposition method) được áp dụng

để dự đoán các điều hòa răng cưa tới hạn cho một ĐC AFPM đồng bộ có xét đến sựtương tác giữa một rãnh đơn và một lá thép đơn (single lamination) Phương pháp

xử lý ảnh được sử dụng để có được hình dạng hình học của stator và dung sai chếtạo của một rãnh stator đơn Các kết quả thực nghiệm kiểm chứng những giá trị dựđoán và kỹ thuật xử lý ảnh đã đề xuất

Woo et al [43] đề xuất một phương pháp tối ưu đa phương thức (multimodaloptimization method) được gọi là phương pháp bò (climbing method) Ưu điểm của

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

thuật toán này là nó tìm tất cả các đỉnh trong miền bài toán bằng các gọi càng ít hàmcàng tốt thông qua khái niệm đường đồng mức (contour line) kết hợp với Krigin.Góc nghiêng của NCVC và tỷ số giữa bước cực (pole-pitch) và cung cực (pole-arc)của NCVC được xem như là các biến thiết kế nhằm đạt được mô men răng cưa nhỏnhất Thuật toán đã đề xuất giảm được giá trị mô men răng cưa bằng 79.8%

Trong [88], để giảm độ nhấp nhô (dao động) của mô men xoắn cho AFPM,người ta đã: Sửa đổi của các bộ phận máy khác nhau như răng rãnh, khe hở khôngkhí hoặc hình dạng nam châm vĩnh cửu, Tuy nhiên, ảnh hưởng của những sửa đổithiết kế này đã mang lại hiệu quả như thế nào vẫn chưa được nghiên cứu đánh giá.Bài báo này, so sánh một vài kỹ thuật giảm nhấp nhô mô men xoắn của từngphương pháp nói trên Kết quả các phân tích được minh họa bằng cách sử dụng môphỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Trong [56], đã đưa ra một loại AFPM có stator kép sáu pha, nhằm tạo ra mộtlực từ hướng trục nhằm giảm lực từ không cân bằng nhờ bộ cuộn dây đặc biệt này.Bằng cách so sánh mô men điện từ và từ trường dọc trục của dòng điện trong cuộndây của AFPM ba pha thông thường và phương pháp đề xuất trên Thông qua phântích phần tử hữu hạn, đã chứng minh rằng cuộn dây cân bằng lực từ (AMFBM) cóthể giảm hầu hết lực dọc trục không cân bằng lực cũng như giữ cho sự nhấp nhô củamô-men xoắn ở mức thấp

Để kiểm tra tác dụng của AMFBM, đã sử dụng bộ điều khiển dự báo theo môhình Kết quả thực nghiệm sơ đồ điều khiển hoạt động tốt ở cả hai tình huống động

và ổn định

c Phân tích nhiệt

Thiết kế tối ưu của một máy điện AFPM bao gồm các thiết kế cơ khí và điệncùng với các đặc tính nhiệt và đặc tính động học chất lỏng Mặc dù phân tích điện từcủa máy điện AFPM đã được nghiên cứu rộng rãi, chú ý hạn chế đã hướng đến cáckhía cạnh khí động học và nhiệt của nó [10] Trong một máy điện, nhiệt độ bêntrong phải được dự đoán trong khi thiết kế vì những lý do sau:

- Giới hạn chịu đựng nhiệt độ tối đa liên tục đối với vật liệu như polymer (được sử dụng trong cấu tạo của stator) và nguy cơ khử từ của NCVC;

- Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ stator do tổn hao đồng;

- Giới hạn của mật độ dòng cực đại và mật độ mô men ở nhiệt độ tối đa;

- Vượt quá biên giới an toàn và kết quả là trả giá cho những dự đoán khôngchính xác

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Các kỹ thuật phân tích nhiệt bao gồm phương pháp thực nghiệm, phân tích sốhọc và mô hình nhiệt tham số tập trung (lumped-parameter thermal model)

Sugimoto et al [54] phát triển một ĐC AFPM đồng bộ HTS ở nhiệt độ của ni tơ lỏng Trong thiết kế này, NCVC được sử dụng cho các lõi thép trong đó các dây dẫn

HTS được sử dụng như là phần ứng Phần ứng được đặt giữa hai từ trường

Dây dẫn BSCCO, được sử dụng làm dây quấn phần ứng, làm việc ở nhiệt độ

66 đến 70o K Tuy nhiên, các dây siêu dẫn bộc lộ các tổn thất xoay chiều nếu chúnglàm việc ở từ trường xoay chiều

Các phương pháp số, thường dựa trên FEA hoặc FVA, tính toán các tổn thất ởcác vùng khác nhau, các vùng này đóng vai trò là các nguồn nhiệt trong các phântích nhiệt Gần đây, sự phổ biến của các gói phần mềm thương mại cho phép kếthợp động học chất lỏng tính toán CFD và FEA đã cung cấp cho các nhà nghiên cứumột công cụ mạnh mẽ để thực hiện các mô phỏng phức tạp về phát nhiệt, dòng nhiệt

và trao đổi nhiệt trong máy điện AFPM [23]

Marignetti et al [45] đã nghiên cứu các đặc tính nhiệt của một máy điện đồng

bộ AFPM với một lõi bằng hợp chất từ mềm SMC sử dụng FEA 3 chiều Nguồnnhiệt có được từ một mô hình dòng điện một chiều kết hợp với lời giải tĩnh manhêtô(magneto static solver), mô hình nhiệt và mô hình động học chất lỏng Nhược điểmcủa phương pháp là các kết quả rất nhạy cảm đối với sai số chấp nhận được, vì vậyảnh hưởng đến việc đặt điều kiện biên Hơn nữa, lõi rotor của của mô hình mẫu thửnghiệm nóng hơn đáng kể so với các kết quả mô phỏng Đối với nhựa epoxy, thiệt

độ làm việc yêu cầu nhỏ hơn 403oK

Trong [63], đã trình bày một quá trình thiết kế và phân tích chi tiết AFPM cho

hệ truyền động trực tiếp công suất lớn Đây là loại AFPM có công suất 130kW cócấu trúc rotor kép ở giữa và hai stator đơn bên ngoài Để giảm phát nóng choAFPM, sử dụng một hệ thống làm mát bằng nước Mẫu AFPM chế tạo thử nghiệmđược phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA: finite-element analysis)

4) Các nghiên cứu về điều khiển kích từ ĐCĐB AFPM

Việc không có các dây quấn kích từ và tiếp xúc bằng chổi than làm giảm chi phívận hành, tăng hiệu suất và độ tin cậy của máy điện AFPM Tuy nhiên, từ thông cố định

do các NCVC áp đặt có tính quyết định đối với các ứng dụng có điều chỉnh tốc độ Sựthay đổi tuyến tính của sức phản điện động cảm ứng gây nguy hiểm khi làm việc ở tốc

độ cao Thực tế, cách điện của dây quấn và bán dẫn công suất của biến tần có thể bịxuống cấp khi vận hành ở điện áp cao Để tránh sự làm việc không an toàn

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

này, từ thông ở khe hở không khí phải được điều khiển để giữ cho điện áp ở đầucuối (terminal voltage) bằng giá trị định mức Làm suy giảm từ thông trong các máyđiện AFPM cũng được áp dụng bằng các biện pháp cơ học hoặc bằng các chiến lượcđiều khiển

Del Ferraro et al [69] đề xuất phương pháp suy giảm từ thông bằng cơ học củamáy điện AFPM bằng cách đổi chỗ hai đĩa rotor nhằm làm giảm từ thông liên kếtstator Sự điều chỉnh mong muốn đạt được bằng hai giải pháp cơ học: thiết bị phụthuộc tốc độ cơ học và thiết bị phụ thuộc mô men cơ học (mechanical torque-dependent device) Thiết bị thứ nhất là một nguồn áp không đổi trong khi thiết bịthứ hai là một nguồn dòng không đổi Mặc dù công trình của họ giới thiệu một kháiniệm mới về suy giảm từ thông cơ học để điều chỉnh công suất AFPM trong một dảitốc độ rộng, nhưng các thiết bị đã sử dụng không thay đổi trạng thái khởi động, mật

độ mô men cao và khả năng quá tải của máy điện

Trong [43], các tác giả đề xuất phương pháp dịch chyển rotor kép nhằm làm suygiảm kích từ của một máy điện AFPM Dây quấn stator được chia thành hai dây quấnLitz-wire tách biệt đặt cạnh nhau, mỗi dây quấn được bọc cách điện bằng nhựa epoxy

và được nối nối tiếp; hai dây quấn này được đặt trong một khung cố định và được phântách bằng các vòng Teflon ma sát nhỏ Suy giảm từ thông đạt được bằng cách quay cácdây quấn so với nhau nhờ vào một cơ cấu chấp hành được thiết kế có chủ

ý Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động chính xác đến 5000

vòng/phút và tỷ số các vùng tốc độ công suất không đổi là 8.3 :1

Zhao et al [62] đề xuất sử dụng các NCVC trượt hướng tâm cho suy giảm từ

thông và điều khiển tốc độ một máy điện AFPM mới thích hợp cho các xe điện EV.Phương pháp suy giảm kích từ với các NCVC trượt hướng tâm được so sánh vàđược kết hợp phương pháp điện truyền thống Các kết quả chỉ ra rằng khả năng điềukhiển kích từ được cải thiện đáng kể và đạt được tốc độ tối đa (lên tới 6 lần tốc độđịnh mức) với công suất không đổi

Suy giảm kích từ dựa trên điều khiển điều khiển thành phần trục d của từ thông

phản ứng phần ứng đã được đề xuất Lopez et al [32] đã tiến hành thực nghiệm khả

năng kích từ của một máy điện AFPM 8 cực 5-kVA bằng cách thay đổi mạch từ chính,việc thay đổi này làm giảm giá trị ampe - số vòng dây được yêu cầu để điều khiển từthông khe hở không khí Vùng sắt mềm của cực từ rotor làm giảm từ trở Vì vậy, yêucầu có một dòng điện nhỏ trục d của stator để khử từ máy điện với ứng suất

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

từ và nhiệt thấp cho nam châm Tuy nhiên, các kết quả được giới thiệu chủ yếu làdòng điện, điện áp và phổ điều hòa của nó thay vì khả năng điều khiển kích từ

5) Các nghiên cứu về khởi động trực tiếp ĐCĐB AFPM

Các ĐC kích từ NCVC khởi động trực tiếp LSPM có thể là một sự thay thếcho ĐC không đồng bộ trong các ứng dụng không điều chỉnh tốc độ chẳng hạn nhưquạt gió, bơm và máy nén khí vì hiệu suất, hệ số công suất, mật độ công suất củachúng cao hơn và kích thước nhỏ hơn Những ĐC này, tuy nhiên, có mô men khởiđộng nhỏ và sự đồng bộ hóa kém Khởi động và đồng bộ hóa của các ĐC LSPM làđối tượng của nhiều nghiên cứu Tuy nhiên, chủ yếu tập trung vào các ĐC kích từNCVC từ thông hướng tâm khởi động trực tiếp, trong khi gần đây mới có một số ấnphẩm về các ĐC kích từ NCVC từ thông dọc trục khởi động trực tiếp

Mahmoudi et al [16] đề xuất đầu tiên ĐC LSAFPM Một vòng tròn được

thêm vào đường kính trong của đĩa rotor để khởi động tự động Vòng này bao phủgông từ của stator Sự tương tác giữa các dòng xoáy cảm ứng trong các vòng rotorđặc với từ trường quay ở khe hở không khí giữa các vòng và dây quấn cuối bêntrong tạo ra mô men điện từ Trong ĐC AFPM, các dây quấn hướng tâm thường tạo

ra mô men trong khi các dây quấn cuối là thừa, nhưng trong công trình này, các dâyquấn cuối bên trong cũng tạo ra mô men Bài báo kiểm chứng một thiết kế thànhcông của một ĐC AFPM không rãnh 1/3 hP, bốn cực, tự khởi động với khả năngđồng bộ tốt ở tốc độ định mức

Mahmoudi et al [17] giới thiệu hai trường hợp thiết kế và phân tích của một ĐC

AFPM: rotor đặc và rotor hỗn hợp Hai vòng tròn nổi cách đều một mức đồng tâm đượcthêm vào đường kính trong và ngoài của các rotor để cho phép khả năng tự khởi động.Rotor phức hợp được phủ một lớp đồng mỏng (0.05 mm) Các kết quả phân tích phần

tử hữu hạn tức thời 3-D cho thấy rotor phức hợp cải thiện đáng kể cả mô men khởiđộng và khả năng đồng bộ so với rotor đặc Lớp đồng mỏng trên bề mặt của vòng rotorlàm tăng tính dẫn điện của vật liệu và tạo ra nhiều dòng điện tuần hoàn trên bề mặtvòng rotor hơn trong quá trình khởi động Rotor phức hợp thực hiện tốt hơn rotor đặc ởkhả năng khởi động nhanh hơn và thời gian ổn định ngắn hơn

Trong [18], các tác giả trên giới thiệu mẫu ĐC LSAFPM Người ta thấy rằng

ĐC mẫu duy trì mô men khởi động cao và khả năng đồng bộ hóa tốt ĐC này thíchhợp để sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hiệu suất cao, trong đó yêu cầu bắtbuộc là ít nhiễu và mô men bằng phẳng, đặc biệt là các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao.Khả năng khởi động trực tiếp của AFPM cần được nghiên cứu thêm

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

6) Các nghiên cứu về ứng dụng ĐCĐB AFPM

Trong nhiều bài báo khác nhau, máy điện AFPM được sử dụng trong xe điệnlai, máy giặt, hệ thống đẩy máy bay, phát điện kết hợp sức gió, điện và nhiệt, cácmáy phát điện xách tay, và bộ khởi động/máy phát xoay chiều đã được đánh giátrong các mục trước; trong những đóng góp đó, không tập trung chủ yếu vào ứngdụng của máy điện mà tập trung vào các khía cạnh công nghệ khác Ngược lại, phầnnày bao gồm các bài báo thú vị nhất với việc tập trung mạnh mẽ vào ứng dụng cụthể hưởng lợi từ công nghệ máy điện AFPM

Các máy điện AFPM nói chung được xem là thích hợp một cách lý tưởng khiyêu cầu tốc độ thấp và mô men cao, chẳng hạn như các ứng dụng truyền động trựctiếp, [18,21,34,58,99] Tuy nhiên, độ nhỏ gọn dọc trục của những máy điện này và

mô men quán tính tương đối cao mà các rotor có được đã thúc đẩy nghiên cứu trongcác ứng dụng tốc độ cao từ ổ đĩa cứng đến các hệ thống tích trữ năng lượng bánh đàđến các ổ đỡ từ dọc trục

Máy phát điện đồng bộ AFPM được xem là một bộ biến đổi năng lượng thíchhợp cho các ứng dụng tua bin gió truyền động trực tiếp (direct-coupled) [70,107].Các máy phát AFPM không lõi được đề xuất cho nhiều ứng dụng phát điện khácnhau, đặc biện trong các truyền động trực tiếp với dải tốc độ làm việc rộng Mô menrăng cưa thấp và hiệu suất cao là ưu điểm của thiết kế không lõi [117]

Khái niệm áp dụng các ĐC AFPM trong xe điện được đề xuất lần đầu vàonhững năm 1990 Trong 20 năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về thiết

kế máy điện AFPM nhằm tối ưu hóa đặc tính của xe điện Oh et al [96] mô phỏng

và thử nghiệm khả năng của một ĐC AFPM cho xe điện lai (hybrid EVs) bằng cách

sử dụng một thiết bị mô phỏng xe cộ Bản đồ hiệu suất của ĐC được phát triển chocác điều kiện vận hành khác nhau Đặc tính của ĐC đối với các chu kỳ truyền độngkhác nhau và các giá trị khe hở không khí tối ưu được xác định dựa trên khái niệmphần cứng trong vòng lặp (hardware in loop) Tốc độ ĐC bám theo tốc độ đặt dướicác điều kiện khe hở thay đổi Ưu điểm của thiết kế này gồm có dải tốc độ vận hànhrộng và hiệu suất cao

Rahman et al [66] giới thiệu một ĐC AFPM SSDR để ứng dụng cho hệ thống

đẩy của xe điện và xe điện lai Việc bổ sung các nêm từ (magnetic wedge) vào cácrãnh của stator làm tăng dải công suất lên hơn hai lần Quá trình này cũng làm giảmtổn thất ở lõi và tăng hiệu suất Tổn thất công suất được cực tiểu hóa bằng cách sửdụng nhựa epoxy có tính dẫn nhiệt cao để liên kết stator của ĐC với vỏ nhôm làm

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

mát bằng chất lỏng Khối lượng của ĐC cũng như mô men răng cưa và dao động

mô men đã được cực tiểu hóa

Yang et al [119] đề xuất một thiết kế và điều khiển tối ưu một ĐC SSDR

AFPM gắn bên trong bánh xe không có truyền lực cơ khí và hộp số vi sai cho xechở khách chạy điện Các kết quả FEA cho thấy rằng thiết kế này có khả năngtruyền động cho một xe chở khách 600 kg với khả năng tăng tốc từ 0 lên 40 km/htrong 5s trên dốc 15o Các tham số thiết kế tới hạn gồm có mô men cực đại, hiệusuất, tốc độ định mức, tốc độ nhỏ nhất, vật liệu và nguồn công suất được xác định

sử dụng phân tích độ nhạy Nguyen et al [109] đề xuất một máy điện AFPM được

thiết kế cho hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà với mục tiêu đạt được hiệu suấtcao, tổn thất tần số cơ bản ở rotor bằng không, mô men răng cưa thấp và cải thiệtdạng sóng của sức phản điện động Thiết kế này bao gồm hai bộ dây quấn stator bapha và chỉ yêu cầu một bộ biến đổi công suất để cấp nguồn cho điều khiển cả lựcdọc trục và mô men điện từ Bài báo giới thiệu góc nghiêng tối ưu của NCVC nhằmtối thiểu hóa mô men răng cưa có xét đến ảnh hưởng nhỏ nhất lên lực dọc trục tĩnh.Ngoài các ứng dụng đã được đề cập ở trên, máy điện AFPM đang trở nên phổbiến trong các ngành công nghiệp khác như hệ thống đẩy tàu thủy [27], thang máytruyền động trực tiếp [63,93], đĩa cứng [77], máy phát điện vi công suất(micropower) [53], phát điện nhiệt cảm ứng (induction heating gensets) [40], bơmxoáy mỏng [31], hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà [72,120], máy phát xoaychiều trên ô tô [41,42,84], và hệ thống tích trữ vi năng lượng [65]

7) Các nghiên cứu về so sánh ĐCĐB AFPM với RFPM

So sánh đặc tính của các máy điện AFPM, RFPM và máy điện kích từ NCVC

từ thông ngang trục TFPM đã được nghiên cứu rộng rãi [13,14,60,67,94] Phần nàyđánh giá ấn phẩm đã thực hiện so sánh đặc tính của các máy điện PM khác nhau

Trong [67], các tác giả đã so sánh đặc tính của máy điện AFPM với máy điệnRFPM xét đến các chỉ tiêu sau: Trọng lượng nam châm, đồng và sắt yêu cầu, tổn thấtđồng và sắt từ, mô men quán tính, mô men trên một đơn vị mô men quán tính, côngsuất trên khối lượng (weight) tác dụng đơn vị, công suất trên thể tích (volume) tác dụngđơn vị Các kết quả đã giới thiệu dựa trên đặc tính của máy điện RFPM và bốn cấu hìnhAFPM gồm các cấu trúc liên kết AFPM SSSR có rãnh và không có rãnh, AFPM DSSR

có rãnh và không có rãnh Đối với năm mức công suất đầu ra khác nhau, có thể kết luậnrằng máy điện AFPM rất hứa hẹn về khối lượng, mật độ công suất lượng sắt yêu cầu,trọng lượng tác dụng, mô men và mô men quán tính của rotor

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Máy điện AFPM không rãnh yêu cầu nhiều vật liệu từ tính hơn máy điện RFPM.Tuy nhiên, máy điện AFPM có rãnh lại yêu cầu ít hơn Tổn thất đồng trong máyđiện AFPM không rãnh cao hơn trong máy điện RFPM có rãnh

Cavagnino et al [13] so sánh đặc tính của ĐC DSSR AFPM với đặc tính của

máy điện RFPM về cung cấp mô men điện từ và mật độ mô men khi tổng khốilượng của ĐC, tổn thất cho mỗi bề mặt, và mật độ từ thông khe hở không khí đượcgiữ không đổi Ảnh hưởng của số lượng cực từ và trở ngại của dây quấn cuối cũngđược xem xét Thủ tục đã đề xuất dựa trên những xem xét đơn giản về nhiệt Cáckết quả cho thấy rằng cấu hình AFPM có đặc tính tốt hơn về mô men điện từ và mật

độ mô men nếu số lượng cực từ lớn (hơn 10) và và chiều dài trục là ngắn

Chen et al [14] đã thực hiện so sánh trong số các máy điện RFPM, AFPM

nhiều tầng và máy điện TFPM ba pha dưới các điều kiện mật độ dòng điện nhỏ, tảiđiện nhỏ, nhiệt độ cao, tốc độ không đổi, và không có hệ thống làm mát bên ngoài

Nó cũng kết luận rằng do đường kính ngoài bị hạn chế, cấu trúc liên kết AFPMnhiều tầng không phù hợp vì nó có mật độ mô men thấp và hiệu suất thấp; cấu trúcliên kết TFPM có mật độ mô men cao hơn nhưng hệ số công suất thấp; máy điệnRFPM có cấu tạo đơn giản, mật độ mô men cao, và hệ số công suất tốt nhất; vì vậy

nó được cho là thích hợp nhất với những ràng buộc thiết kế này

Pippuri et al [60] so sánh mật độ mô men của máy điện RFPM, AFPM, và

TFPM của một máy điện ví dụ 10-kW 200 vòng/phút Các kết quả đạt được củaphương pháp các bề mặt Pareto cho thấy các thiết kế ĐC RFPM tốt nhất về mặt hiệusuất và độ nhỏ gọn có số cặp cực từ 8 đến 10 Sơ đồ cấu trúc liên kết được thấy làhoạt động tốt nhất với số cặp cực là 10-12 Số cặp cực thấp nhất được thấy là ít khảthi nhất khi một giải pháp nhỏ gọn nhưng hiệu quả năng lượng được tìm thấy

Trong Qu et al [94] so sánh đặc tính của máy điện RFPM 200 HP, sáu cực

1200 vòng/phút và máy điện AFPM hai phía xét đến các cấu hình NCVC khác nhau

sử dụng các phương trình kích thước Các kết quả biểu thị rằng các máy điện SSDR

có mật độ công suất và hiệu suất cao hơn trong khi máy điện SSDR-NS có tỷ số mật

độ công suất/mô men và hiệu suất cao nhất Các máy điện kiểu DSSR tốt hơn cáckiểu khác về trọng lượng và độ tiện dụng (utilization) trong khi cấu hình DSSR-SS

có trọng lượng thấp nhất và hệ số tiện dụng cao nhất Các kết quả so sánh tản nhiệtđược giới thiệu trên hình 16 cho thấy cấu hình DSSR- NS có khả năng tản nhiệt tốtnhất và RFPM-SS có khả năng tản nhiệt kém nhất

8) Các nghiên cứu về điều khiển máy điện AFPM

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Hiện nay trên thế giới có rất ít công trình nghiên cứu về điều khiển máy điệnAFPM Một nghiên cứu quan trọng về điều khiển đó là: trong [89][90][91] Nguyen

và Ueno, giới thiệu một phương pháp điều khiển vector đối với một máy điện tự đỡ

có khe hở dọc trục AGBM 4000 vòng/phút, hai cặp cực Cấu trúc liên kết máy điệnđặc biệt này là một sự kết hợp của một ĐC Kaman FSCW (q = 0.5) và một ổ đỡ từdọc trục; bằng cách cung cấp nguồn thích hợp cho hai dây quấn stator thông qua hai

bộ biến tần ba pha, AGBM có thể cung cấp cả mô men quay và lực dọc trục Cácứng dụng của máy điện như vậy có thể là bơm hóa chất, bơm phân tử turbo (turbo-molecular pump – một dạng bơm chân không), bơm máu, lò phản ứng sinh học vàquạt gió (blower) Các tác giả có được một mô hình nguyên lý ban đầu của máyđiện và cho thấy rằng có thể điều khiển độc lập mô men và lực dọc trục bằng cáchđiều khiển các dòng điện trục d và trục q của cả hai dây quấn stator Sau đó, họ thiết

kế một cấu trúc điều khiển là sự mở rộng của cấu trúc điều khiển tốc độ nhiều mạchvòng lồng nhau kinh điển nhằm giải thích cho cả chuyển động quay và chuyển độngdọc trục Cuối cùng, các tác giả chứng minh các đặc tính của thuật toán điều khiểntrên một nguyên mẫu máy điện thật Thông tin về việc đánh giá công suất của máyđiện này không được đưa ra

T D Nguyen et al.[109], Trong Duy Nguyen et al.[113][114][115] giới thiệu

máy điện AFPM sử dụng cho hệ tích trữ năng lượng cơ học dạng bánh đà FESS Bộđiều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ, dịch chuyển dọc trục và cácthành phần dòng điện trục trục d, trục q

Hanxiao et al [56] nghiên cứu các hoạt động sau lỗi của một máy điện AFPM

stator kép sáu pha có dây quấn tách rời Các tác giả đề xuất phương pháp cân bằnglực từ dọc trục (AMFBM - axial magnetic force balancing method) nhằm làm giảmlực từ không cân bằng Để thực hiện AMFBM, phương pháp điều khiển dự báo theo

mô hình có tập điều khiển hữu hạn FCS-MPC (finite control set model predictivecontrol) được chấp nhận FCS-MPC được sử dụng cho mạch vòng dòng điện, mạchvòng điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển PI Động cơ sử dụng ổ đỡ bi

Như vậy, có rất ít công trình công bố về điều khiển máy điện AFPM Trong sốcác tài liệu mà tác giả thu thập được, các công trình này sử dụng phương pháp điềukhiển kinh điển với các bộ điều khiển PI và PID, chưa có công trình nào sử dụngcác phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển máy điện AFPM

1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Luận án tập trung nghiên cứu điều khiển ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ namchâm vĩnh cửu có tích hợp ổ từ dọc trục và coi hai ổ đỡ từ hướng tâm ở hai đầu trụclàm việc tốt theo chức năng của nó Dựa vào cấu trúc điều khiển bao gồm ba mạchvòng: Dòng điện, tốc độ và vị trí của rotor, luận án sẽ đưa ra các bộ điều khiển hiệnđại tương ứng Chất lượng các bộ điều khiển trong các mạch vòng sẽ được đánh giáthông qua mô phỏng và mô hình thí nghiệm

1.6 Kết luận

ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp ổ đỡ từ là loại

ĐC có nhiều ưu điểm và đang được chú ý nghiên cứu Các nghiên cứu trước đâychủ yếu tập trung vào tối ưu hóa thiết kế ĐC, vật liệu, công nghệ chế tạo nhằm thunhỏ kích thước và giảm giá thành của ĐC Đã có một số công trình nghiên cứu điềukhiển động cơ tuy nhiên chưa nhiều Như vậy, nghiên cứu về điều khiển động cơđồng bộ có tích hợp ổ đỡ từ là một hướng nghiên cứu đầy triển vọng

Để thiết kế được các bộ điều khiển thì phải dựa trên mô hình toán của ĐCAFPM Chương tiếp theo sẽ tập trung nghiên cứu giải quyết nhiệm vụ này

Equation Chapter 2 Section 1

Chương 2: Mô hình hóa động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC

TRỤC KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

kích từ nam châm vĩnh cửu

Mô hình động cơ được lựa chọn để phù hợp với thực nghiệm về sau là động cơđồng bộ từ thông dọc trục NCVC có cấu trúc được giới thiệu như trên hình 2.1.Động cơ này làm việc trong hệ thống chuyển động có hai ổ đỡ từ ở hai đầu trục(không minh họa ở đây) Vì ổ từ ở hai đầu trục chỉ có chức năng đỡ trục mà không

có chức năng chặn chuyển động dọc trục, cho nên rotor động cơ sẽ có chuyển độngquay quanh trục và có khả năng chuyển động dọc trục của nó Với chức năng vừa làđộng cơ tạo mômen quay, lại vừa là một ổ từ chặn chuyển động dọc trục, động cơđồng bộ từ thông dọc trục NCVC, có tích hợp ổ từ dọc trục là một đối tượng có haibậc tự do và cấu trúc được tối giản hóa Chính vì điều này mà động cơ có cấu tạo vànguyên lý làm việc đặc biệt như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ AFPM tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục

2.1.1 Cấu tạo

Rotor thường được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện và có dạng hình đĩa, kíchthước của rotor cần được xác định tối ưu với công suất thiết kế để đảm bảo đặc tínhđộng học tốt nhất cho động cơ Trong thực tế ở dải công suất nhỏ, rotor của động cơ