Chương 20: Cơ cấu chấp hành cơ điện - Nguyên lý Điện từ và Phân loại

Tài liệu Cơ cấu chấp hành cơ điện: tổng quan và nguyên lý hoạt động tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành điện - điện tử

• Tác giả: Rymantas Tadas Tolocka
• Trường học: Kaunas University Of Technology
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Cơ Cấu Chấp Hành Cơ Điện
• Loại tài liệu: Sổ tay

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Cấu Chấp Hành Cơ Điện

Cơ cấu chấp hành cơ điện là một thành phần quan trọng trong hệ thống mechatronic hiện đại, đóng vai trò chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Trong một hệ thống điều khiển tự động, cơ cấu chấp hành được chia thành hai phần chính: phần khuếch đại công suất và phần chuyển đổi năng lượng. Phần khuếch đại công suất nhận tín hiệu điều khiển mức thấp và khuếch đại nó lên mức công suất cao hơn, trong khi phần chuyển đổi chuyển hoá năng lượng điện thành năng lượng cơ. Sự phát triển của điện tử công suất đã mở rộng định nghĩa của cơ cấu chấp hành, bao gồm cả các thành phần điều chỉnh công suất như thyristor, transitor và điốt. Cơ cấu chấp hành cơ điện được phân loại dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng của chúng, có thể là chuyển đổi trực tiếp hoặc qua các trường vật lý trung gian.

1.1. Cấu Trúc Chức Năng Của Cơ Cấu Chấp Hành

Cấu trúc chức năng của cơ cấu chấp hành cơ điện gồm ba thành phần chính: mạch điều khiển, mạch khuếch đại công suất và bộ chuyển đổi năng lượng. Mạch điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến hoặc bộ điều khiển. Mạch khuếch đại công suất sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất để điều chỉnh mức năng lượng. Bộ chuyển đổi năng lượng chính là động cơ điện, solenoid hoặc các thiết bị tương tự, trực tiếp tạo ra chuyển động cơ học.

1.2. Vai Trò Trong Hệ Thống Mechatronic

Trong hệ thống mechatronic, cơ cấu chấp hành cơ điện là cầu nối giữa phần xử lý dữ liệu (năng lượng thấp) và phần tương tác với môi trường vật lý (năng lượng cao). Nó nhận lệnh từ bộ điều khiển và thực hiện các tác vụ như chuyển động, nâng hạ, quay hoặc giữ các vật thể. Hiệu quả và độ chính xác của cơ cấu chấp hành quyết định chất lượng hoạt động của toàn bộ hệ thống.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu chấp hành cơ điện dựa trên việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ thông qua các trường vật lý. Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng từ trường để tạo lực điện từ. Một trong những lý do chọn từ trường thay vì điện trường là do mật độ năng lượng trong từ trường cao hơn đáng kể - bậc 5 so với điện trường. Vùng không khí giữa phần tĩnh và phần chuyển động của cơ cấu là nơi diễn ra sự chuyển đổi năng lượng cơ điện. Hai nguyên tắc cơ bản chi phối các cơ cấu chấp hành điện từ là Luật Lorentz về lực điện từ và Luật Faraday về cảm ứng điện từ, cả hai đều là nền tảng của vật lý điện từ học.

2.1. Từ Trường Và Mật Độ Từ Thông

Từ trường được biểu thị bằng độ lớn H (A/m) và mật độ từ thông B (Tesla). Trong chân không, chúng liên hệ theo công thức: B = μ₀ × H, với μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Đối với vật liệu từ tính, công thức trở thành B = μᵣ(H) × μ₀ × H, trong đó μᵣ là độ từ thẩm ứng. Hiểu rõ mối quan hệ B-H là thiết yếu để thiết kế hiệu quả cơ cấu chấp hành cơ điện.

2.2. Lực Lorentz Và Cảm Ứng Điện Từ

Khi một vật dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, nó chịu tác động của lực Lorentz theo công thức: F = i × B. Độ lớn của lực này là F = BLi, trong đó L là chiều dài vật dẫn. Ngược lại, chuyển động của vật dẫn trong từ trường sẽ sinh ra suất điện động theo Luật Faraday: emf = -dΦ/dt. Hai nguyên lý này là cơ sở để động cơ điện hoạt động.

III. Các Dạng Cơ Cấu Chấp Hành Cơ Điện Phổ Biến

Cơ cấu chấp hành cơ điện có nhiều dạng khác nhau, được phân loại dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng và ứng dụng cụ thể. Động cơ điện một chiều (DC motor) là loại phổ biến nhất, sử dụng từ trường để tạo mô-men quay. Động cơ điện xoay chiều (AC motor) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Solenoid là thiết bị chấp hành tuyến tính, dùng để tạo lực kéo hoặc đẩy. Cơ cấu chấp hành áp điện sử dụng hiệu ứng piezo-electric để chuyển đổi trực tiếp. Mỗi dạng có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng và điều kiện làm việc khác nhau.

3.1. Động Cơ Điện Một Chiều

Động cơ điện một chiều (DC motor) là cơ cấu chấp hành điện từ phổ biến nhất. Nó sử dụng cuộn dây phát điện trong từ trường của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây quay, nó tạo ra lực Lorentz từ hai phía, dẫn đến mô-men quay quanh trục. Các thành phần chính gồm: stator (phần tĩnh), rotor (phần quay), commutator (bộ giao tiếp) và brush (chổi than).

3.2. Solenoid Và Cơ Cấu Chấp Hành Tuyến Tính

Solenoid là cơ cấu chấp hành cơ điện tạo ra chuyển động tuyến tính. Nó bao gồm một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt từ. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, lõi sắt từ bị từ hoá, tạo ra lực hút hoặc lực đẩy các vật khác. Solenoid được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như khóa điện, van điều khiển và rơle.

IV. Ứng Dụng Và Yếu Tố Ảnh Hưởng

Cơ cấu chấp hành cơ điện được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như robot công nghiệp, hệ thống tự động hóa, máy móc gia dụng, và phương tiện giao thông. Hiệu suất của cơ cấu chấp hành bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Tải trọng (load) tác động trực tiếp đến công suất cần thiết và thời gian phản ứng. Điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và áp suất ảnh hưởng đến hiệu suất vật liệu và độ bền. Đặc tính động của cơ cấu chấp hành, bao gồm quán tính và ma sát, quyết định tốc độ phản ứng và chính xác điều khiển.

4.1. Ảnh Hưởng Của Tải Trọng Và Môi Trường

Tải trọng cơ học làm tăng mô-men cản trở hoặc lực cản, yêu cầu công suất cao hơn từ cơ cấu chấp hành. Điều kiện môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, hoặc phóng xạ có thể làm hư hỏng vật liệu và linh kiện điện tử. Do đó, khi chọn cơ cấu chấp hành, cần xem xét đặc tính chịu lực và khả năng chống chịu điều kiện khắc nghiệt.

4.2. Độ Chính Xác Và Độ Tin Cậy

Độ chính xác định vị của cơ cấu chấp hành cơ điện phụ thuộc vào độ phân giải của bộ điều khiển và đặc tính tuyến tính của thiết bị. Độ tin cậy và tuổi thọ bị ảnh hưởng bởi chất lượng sản xuất, tần suất làm việc và điều kiện bảo trì. Các cảm biến phản hồi giúp tăng độ chính xác bằng cách cung cấp thông tin vị trí thực tế cho hệ thống điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Cơ cấu chấp hành 20 Rymantas Tadas Tolocka Kaunas University of Technology 20 20-1 Stefano Pastorelli 20.1 Cơ cấu chấp hành Cơ điện. 20-1 Politecnico di Torino 20.3 Cơ cấu chấp hành áp điện.1 Cơ cấu chấp hành Cơ điện George T. Chiu Giới thiệu Như đã tóm tắt trong các chương trước, một hệ thống Cơ điện tử có thể được chia thành các khối chức năng như trong hình 20. Trong chương này, chúng tôi sẽ tập trung vào phần cơ cấu chấp hành của hệ thống.

Đặc biệt, chúng tôi sẽ đưa ra các thảo luận chung về các dạng cơ cấu chấp hành cơ điện và những ảnh hưởng của tải trọng hay môi trường vật lý đến chúng. Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các thành phần điện tử cơ bản cần thiết cho việc điều chỉnh năng lượng điện.1 Hệ thống Cơ điện tử HÌNH 20.2 Sơ đồ chức năng của cơ cấu chấp hành 20-1 Metechvn.com Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.3 Cơ cấu chấp hành thuỷ lực và cơ điện Một hệ thống Cơ điện tử có thể được chia một cách tương đối thành phần năng lượng cao hơn tương tác với môi trường vật lý và phần năng lượng thấp hơn xử lý dữ liệu, hình 20. Cảm biến và cơ cấu chấp hành là những thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh và chuyển hoá năng lượng. Bởi vậy cấu trúc của một cơ cấu chấp hành có thể được mô tả như trong hình 20.

Thông thường các cơ cấu chấp hành chỉ là các thiết bị chuyển đổi năng lượng. Tuy nhiên, với sự phát triển của điện tử công suất, một cách tổng quan có thể coi cơ cấu chấp hành bao gồm cả phần khuếch đại công suất. Một cơ cấu chấp hành thuỷ lực tuyến tính, hình 20.3, cũng có thể phân loại tương tự, van cuộn (spool valve) là khối khuyếch đại/điều chỉnh công suất với vị trí van là tín hiệu điều khiển và áp suất/lưu lượng chất lỏng là nguồn năng lượng. Xi lanh thuỷ lực hoạt động như một thiết bị chuyển đổi từ thủy năng sang dạng cơ năng.

Với một hệ cơ cấu chấp hành cơ điện thông thường như động cơ điện một chiều (hình 20.3), khối khuếch đại công suất là phần truyền động cho động cơ, khuếch đại mức tín hiệu điều khiển (dòng điện/công suất nhỏ) tới tín hiệu công suất cao hơn (dòng điện lớn), được dùng để chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ dựa trên nguyên lý điện từ. Trong chương này, phần đầu sẽ là khái quát các dạng cơ cấu chấp hành cơ điện. Chúng được chia thành các nhóm có cơ cấu chuyển đổi năng lượng tương ứng. Các thành phần điện tử công suất như điốt, thyristor, transitor, dùng để khuếch đại công suất và điều chỉnh sẽ được giới thiệu thông qua việc xây dựng các khối khuếch đại công suất.

Cuối cùng là kết luận về một số vấn đề liên quan tới các cơ cấu chấp hành cơ điện. Các dạng cơ cấu chấp hành cơ điện - Nguyên lý hoạt động Nguyên lý chung của các cơ cấu chấp hành cơ điện là chuyển năng lượng điện sang năng lượng cơ. Có nhiều dạng cơ cấu khác nhau, ví dụ cơ cấu chuyển đổi trực tiếp như chuyển đổi áp điện hoặc cơ cấu chuyển đổi qua trung gian như từ trường. Các cơ cấu chấp hành cơ điện phổ biến sẽ được giới thiệu một cách khái quát sau đó sẽ được đề cập chi tiết hơn trong các mục nhỏ.

Điện từ - Từ trường Điện từ là phương pháp chuyển đổi năng lượng ứng dụng phổ biến nhất ở các cơ cấu chấp hành cơ điện. Một trong những lý do sử dụng từ trường thay vì điện trường là do mật độ năng lượng trong từ trường cao hơn. Vùng không khí chia phần tĩnh (stator) và phần chuyển động của một cơ cấu chấp hành cơ điện là nơi diễn ra sự chuyển đổi năng lượng cơ điện. Tổng số năng lượng trên một đơn vị trong vùng từ trường này có thể là bậc 5 của lượng năng lượng trên một đơn vị tương đương của điện trường.

Luật Lorentz về lực điện từ và luật Faraday về cảm ứng điện từ là hai nguyên tắc cơ bản chi phối các cơ cấu chấp hành điện từ. Trước khi đi vào chi tiết về điện từ, chúng tôi sẽ giới thiệu các định nghĩa của từ trường và từ thông. 20-2 Cơ cấu chấp hành r r Từ thông  tồn tại khi có từ trường. Độ lớn của từ trường H (A/m) và mật độ từ thông B (tesla [T]) liên quan với nhau bởi độ từ thẩm của vật liệu.

Trong chân không, mật độ từ thông tỉ lệ với độ lớn từ trường như công thức sau: r r B = m0 ×H (20.1) Trong đó m0 = 4 [T m/A] là hằng số độ thẩm từ. Với các vật liệu từ hoặc sắt từ khác, công thức tính như sau: ur uur uur B = mr (H ) ×m0 ×H (20.2) r Trong đó, mr ( H ) là độ từ thẩm ứng với từng loại vật liệu.4 là các đường cong đặc trưng B- H và µ- H. Luật Lorentz của lực điện từ Khi một vật dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, nó sẽ chịu tác động của một lực cảm ứng theo công thức ur r ur F = i´ B (20.4 Biểu đồ µ- H và biểu đồ B-H HÌNH 20.5 Lực điện từ Lorentz r r r Trong đó F vectơ lực, i là vectơ dòng điện, B là mật độ từ thông. Lực này được gọi là lực điện từ hay lực Lorentz.

Nếu một vật dẫn có độ dài L mang dòng điện i không đổi đặt trong vùng từ thông B không đổi, như trong hình 20.5, độ lớn của lực Lorentz được tính theo công thức: ur F = F = BLi (20.4) Định luật Faraday về cảm ứng điện từ Chuyển động của một vật dẫn trong từ trường sẽ sinh ra một suất điện động (emf), hay hiệu điện thế, ở hai đầu vật dẫn: df emf = E = - (20.5) dt r r Trong đó f = ò ÑB .dA là từ thông. Với một vật dẫn có độ dài L chuyển động với tốc độ hằng v trong từ trường không đổi vuông góc với bề mặt A, như hình 20.6, độ lớn của suất điện động cảm ứng (hiệu điện thế) là: em f = E = B Lv (20.6) 20-3 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.6 Suất điện động cảm ứng r r Có 2 phương pháp để tạo ra từ trường H , hay một mật độ từ thông B mong muốn đó là dùng nam châm vĩnh cửu hoặc sử dụng luật Boit–Savart. Luật Boit–Savart Một vật dẫn mang điện dài (vô hạn), thẳng, cảm ứng một từ trường quanh vật dẫn hình 20. Mật độ từ thông ở khoảng cách r vuông góc từ vật dẫn tính theo công thức: mr m0 B = ×i (20.7 Từ trường sinh ra bởi vật dẫn mang HÌNH 20.8 Từ trường cảm ứng của cuộn dòng điện cảmTrong đó, i là dòng điện.

Nếu ta bẻ cong vật dẫn mang dòng điện thành dạng cuộn cảm xoắn ốc với N vòng (solenoid), nó sẽ cảm ứng một từ trường tương ứng như mô tả trong hình 20. Nếu độ dài cuộn cảm L lớn hơn đường kính D của nó, mật độ từ thông xác định theo quy tắc bàn tay phải và độ lớn xấp xỉ bằng N B = m ×i (20.m0 là độ từ thẩm của vật liệu trong cuộn cảm và i là dòng điện qua cuộn dây. Đại lượng này có thể được khuếch đại bằng cách cài một lõi sắt từ trong cuộn cảm để tăng độ thẩm từ. Cuộn cảm được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện từ cho việc tạo ra các từ trường điều khiển được và thường liên quan tới nam châm điện.

20-4 Cơ cấu chấp hành HÌNH 20.9 Phân loại các cơ cấu chấp hành kiểu HÌNH 20.10 Một cuộn cảm thông thường cuộn cảm (Courtesy of Shih Hsing Industrial Co.) Thiết bị kiểu cuộn cảm (Solenoid Type Devices) Cuộn cảm (nam châm điện có lõi), hình 20.9, là dạng cơ cấu chấp hành điện từ đơn giản nhất được dùng ở các bộ phát động dạng thẳng hoặc quay cho các van, khoá chuyển mạch (công tắc) và rơle. Như tên gọi đã chỉ ra, một cuộn cảm solenoid bao gồm một khung sắt tĩnh (stator), một cuộn cảm, và một lõi sắt từ có dạng như pittông (phần ứng) ở giữa cuộn cảm hình 20. Khi cuộn cảm được cung cấp năng lượng, một từ trường được cảm ứng trong cuộn cảm. Phần lõi di chuyển thu hẹp khe hở không khí giữa pittông và khung sắt stato tĩnh làm tăng từ thông móc vòng.

Lực từ sinh ra xấp xỉ tỉ lệ với bình phương dòng điện i và tỉ lệ nghịch với bình phương diện tích khe hở không khí δ, được gọi là hành trình của cuộn cảm: i2 F¥ (20.9) d2 Như chỉ ra trong hình 20.11, với các hành trình nhỏ hơn 0., pittông dạng mặt phẳng cần lực kéo hoặc đẩy lớn hơn các pittông 60° từ 3-5 lần. Với các hành trình lớn hơn khoảng 0., pittông 60° có lợi thế lớn nhất hơn pittông thẳng. Khi cuộn cảm không được cấp năng lượng, từ trường giảm và pittông sẽ trở về vị trí cũ nhờ tải trọng bản thân hoặc nhờ một lò xo kéo trở lại. Tất cả các cuộn cảm tuyến tính sẽ kéo pittông vào trong cuộn cảm khi nó được cung cấp năng lượng.

Cuộn cảm dạng đẩy thực hiện bằng cách kéo dài pittông qua một lỗ ở vị trí dừng cuối (back-stop), hình 20. Do đó khi được cấp năng lượng, pittông tiếp tục được đẩy trong cuộn cảm, nhưng phần kéo dài sinh ra một chuyển động đẩy từ phần cuối của cuộn cảm. Khi cuộn cảm không cấp năng lượng pittông tự chuyển động trở về vị trí ban đầu nhờ tải bản thân nó (trọng lượng của tải) hoặc nhờ lực lò xo, nó được cung cấp như một phần không thể thiếu của cuộn cảm.11 Đường cong lực-hành trình của các cuộn cảm (Courtesy of Magnetic Sensor Systems) 20-5 Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 20.12 Các dạng cuộn cảm đẩy và kéo (Curtesy of Ledex® & Dormeyer® Products) HÌNH 20.13 Các cuộn cảm dạng quay (Courtesy of Ledex® & Dormeyer® Products) Các cuộn cảm dạng quay sử dụng các ổ bi để di chuyển xuống theo hướng đường vòng ổ bi biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay. Khi cuộn cảm được cấp năng lượng, pittông được kéo về phía stator và quay một góc xác định bởi đường vòng ổ bi, Hình 20.

Một rơle cơ điện (EMR) là một thiết bị sử dụng một cuộn cảm để đóng hay mở một liên kết cơ khí (công tắc) giữa dây dẫn điện chính công suất lớn. Một rơle thực hiện chức năng tương tự một transitor công suất, dùng năng lượng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn. Điểm khác nhau là một rơle có khả năng điều khiển mức dòng điện lớn hơn nhiều.