Luận án nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai - Vũ Đình Đạt

Luận án nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai, phân tích cấu trúc, nguyên lý hoạt động và đề xuất cải tiến kỹ thuật cho hệ thống ổ từ hiện đại.

• Tác giả: Vũ Đình Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Địch
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ổ từ kiểu lai và nghiên cứu chất lượng

Ổ từ kiểu lai (Hybrid Magnetic Bearing - HMB) kết hợp ưu điểm của ổ từ bị động (PMB) sử dụng nam châm vĩnh cửu và ổ từ chủ động (AMB) sử dụng cuộn dây điện. Cấu trúc này giảm tiêu thụ năng lượng trong khi vẫn duy trì khả năng điều khiển chính xác. HMB được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính ổn định cao và hiệu suất vượt trội. Nghiên cứu chất lượng ổ từ kiểu lai tập trung vào tối ưu hóa cấu trúc mạch từ, cải thiện lực nâng và giảm tổn thất năng lượng. Các vấn đề chính bao gồm phân bố từ thông đồng đều, hạn chế hiện tượng bão hòa từ và nâng cao độ chính xác điều khiển. Việc nâng cao chất lượng HMB góp phần quan trọng trong phát triển hệ thống truyền động không tiếp xúc, đặc biệt trong ngành năng lượng và hàng không.

1.1. Khái niệm cơ bản về ổ từ kiểu lai

Ổ từ kiểu lai kết hợp hai loại lực từ: lực từ bị động từ nam châm vĩnh cửu (PM) và lực từ chủ động từ cuộn dây điện (AM). PM cung cấp lực nâng cơ bản ổn định, trong khi AM điều chỉnh lực nâng bổ sung để kiểm soát vị trí rotor chính xác. Cấu trúc điển hình gồm stator có các cực từ lắp nam châm vĩnh cửu và cuộn dây, rotor được định vị trong khe hở không khí. Lực từ tổng hợp phụ thuộc vào mật độ từ thông và dòng điện điều khiển. Điểm mạnh của HMB là giảm tiêu thụ điện năng so với AMB thuần túy nhờ sự hỗ trợ từ PM.

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu về HMB đã phát triển từ những năm 1990 với nhiều cấu trúc khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu suất. Các công trình tập trung vào ba dạng cấu trúc chính: dạng 1 (các cực từ liên kết), dạng 2 (vòng nam châm vĩnh cửu) và dạng 3 (các cực từ độc lập). Ứng dụng chủ yếu trong máy nén khí, tua bin gió và hệ thống lưu trữ năng lượng. Tại Việt Nam, nghiên cứu HMB còn hạn chế, tập trung vào phân tích lý thuyết và mô phỏng. Việc nâng cao chất lượng HMB đòi hỏi tích hợp công nghệ điều khiển tiên tiến và vật liệu từ mới.

II. Phân tích các vấn đề chất lượng ổ từ kiểu lai hiện nay

Chất lượng ổ từ kiểu lai phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phân bố từ thông, hiện tượng bão hòa từ, tổn thất năng lượng và khả năng chịu tải. Vấn đề chính là sự không đồng đều của từ thông dẫn đến lực nâng không ổn định. Hiện tượng xen kênh từ thông giữa các cực từ gây ra nhiễu loạn trong mạch từ, ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển. Ngoài ra, bão hòa từ xảy ra khi dòng điện điều khiển quá lớn, làm giảm hiệu suất hoạt động. Tổn thất năng lượng do dòng điện xoáy và nhiễu loạn từ cũng là thách thức lớn trong thiết kế HMB. Những vấn đề này đòi hỏi giải pháp toàn diện từ thiết kế cấu trúc đến thuật toán điều khiển.

2.1. Hiện tượng bất ổn định trong mạch từ

Sự không đồng đều trong phân bố từ thông dẫn đến lực nâng không đều, gây rung động rotor. Nguyên nhân chính là do cấu trúc mạch từ không tối ưu, dẫn đến sự tập trung từ thông ở một số vị trí. Hiện tượng bão hòa từ xảy ra khi mật độ từ thông vượt quá ngưỡng cho phép của vật liệu, làm giảm độ từ thẩm. Điều này đặc biệt nghiêm trọng trong cấu trúc dạng 1 nơi các cực từ liên kết với nhau. Việc giảm thiểu bất ổn định đòi hỏi phân tích trường từ tính chính xác và thiết kế cấu trúc mạch từ hợp lý.

2.2. Tổn thất năng lượng và hiệu suất hoạt động

Tổn thất năng lượng trong HMB bao gồm tổn thất từ trễ, tổn thất dòng điện xoáy và tổn thất do nhiễu loạn từ. Tổn thất từ trễ xảy ra khi vật liệu từ thay đổi trạng thái từ hóa liên tục. Dòng điện xoáy sinh ra trong rotor và stator do biến thiên từ thông, gây tăng nhiệt độ và giảm hiệu suất. Nhiễu loạn từ do sự không đối xứng trong cấu trúc gây ra dòng điện bổ sung trong cuộn dây. Những tổn thất này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn đòi hỏi hệ thống làm mát phức tạp.

III. Giải pháp nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai

Nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai yêu cầu giải pháp toàn diện từ thiết kế cấu trúc đến thuật toán điều khiển. Giải pháp đầu tiên là tối ưu hóa cấu trúc mạch từ thông qua phân tích trường từ tính chi tiết. Sử dụng vật liệu từ mới có độ từ thẩm cao và tổn thất thấp giúp giảm hiện tượng bão hòa từ. Thứ hai, áp dụng thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển phi tuyến hoặc điều khiển thích nghi để bù đắp sự không ổn định. Giải pháp thứ ba là tích hợp hệ thống giám sát trạng thái để phát hiện sớm các bất thường. Cuối cùng, cải tiến quy trình sản xuất nhằm đảm bảo độ chính xác chế tạo, đặc biệt là khe hở không khí giữa stator và rotor.

3.1. Tối ưu cấu trúc mạch từ bằng mô phỏng trường

Sử dụng phần mềm mô phỏng trường từ tính như ANSYS Maxwell hoặc COMSOL Multiphysics để phân tích phân bố từ thông. Mô phỏng giúp xác định vị trí tập trung từ thông và đề xuất giải pháp phân bố lại cực từ. Kỹ thuật giảm thiểu xen kênh từ thông bao gồm thiết kế các rãnh dẫn từ hoặc sử dụng vật liệu cách từ. Phân tích trường từ cũng giúp xác định điểm bão hòa từ, từ đó điều chỉnh mật độ từ thông phù hợp. Kết quả mô phỏng được xác thực thông qua thí nghiệm trên mẫu thử.

3.2. Thuật toán điều khiển phi tuyến cho HMB

Thuật toán điều khiển phi tuyến như điều khiển trượt (Sliding Mode Control) hoặc điều khiển dự báo (Model Predictive Control) giúp bù đắp sự không ổn định trong HMB. Những thuật toán này thích ứng với sự thay đổi của tải trọng và nhiễu loạn từ. Điều khiển trượt đặc biệt hiệu quả trong việc giảm thiểu độ lệch vị trí rotor do nhiễu loạn. Ngoài ra, tích hợp bộ quan sát trạng thái giúp ước lượng lực nâng thực tế, cải thiện độ chính xác điều khiển. Kết quả thí nghiệm cho thấy thuật toán phi tuyến giảm 30% sai lệch vị trí so với điều khiển tuyến tính truyền thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp toàn diện nhằm nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai thông qua tối ưu cấu trúc mạch từ, thuật toán điều khiển tiên tiến và vật liệu từ mới. Các giải pháp này đã được chứng minh hiệu quả thông qua mô phỏng và thí nghiệm, giảm thiểu hiện tượng bất ổn định và tổn thất năng lượng. Ứng dụng thành công trong hệ thống truyền động không tiếp xúc, đặc biệt trong ngành năng lượng tái tạo. Kết quả nghiên cứu góp phần quan trọng trong phát triển công nghệ ổ từ tiên tiến tại Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo trong điều khiển và phát triển vật liệu từ siêu dẫn.

4.1. Đánh giá hiệu quả giải pháp đề xuất

Các giải pháp đề xuất đã được đánh giá thông qua thí nghiệm trên mẫu thử HMB. Kết quả cho thấy lực nâng ổn định hơn 15% so với cấu trúc truyền thống. Tổn thất năng lượng giảm 20% nhờ tối ưu cấu trúc mạch từ và sử dụng vật liệu từ mới. Độ chính xác điều khiển vị trí rotor đạt ±5 µm, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp chính xác. Hiệu quả kinh tế cũng được cải thiện nhờ giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí bảo trì.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong công nghiệp

Ổ từ kiểu lai nâng cao có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành năng lượng, đặc biệt là tua bin gió và máy nén khí công suất lớn. Trong ngành hàng không, HMB có thể thay thế ổ bi truyền thống trong động cơ phản lực, tăng tuổi thọ và giảm trọng lượng. Tại Việt Nam, việc triển khai HMB trong hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ góp phần ổn định lưới điện quốc gia. Nghiên cứu cũng mở ra cơ hội hợp tác quốc tế trong phát triển công nghệ ổ từ tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của ổ từ. Phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc khác nhau của ổ từ kiểu lai, từ đó đưa ra những cải tiến phù hợp để phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển cho ổ từ nói chung và ổ từ kiểu lai nói riêng, qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Chương 2: Phân tích tính toán chi tiết về dạng cấu trúc ổ từ kiểu lai đã được công bố và tìm ra những hạn chế tồn tại để đưa ra cải tiến mới.

Tác giả đã so sánh hiệu quả của các cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đề xuất ở luận án này (ổ từ kiểu lai khe hở 16 phụ, ổ từ kiểu lai khe phân cách) với dạng ổ từ kiểu lai đã có thông qua hai phương pháp tính toán và mô phỏng. Hai phương pháp đó là: Phương pháp tính toán mạch từ tương đương (ECMC) và phương pháp mô phỏng phần từ hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS. Từ những tính toán và phân tích mô phỏng sẽ đưa ra những đánh giá về hiệu quả của cấu trúc ổ từ kiểu lai mới so với cấu trúc đã có để lựa chọn cấu trúc tối ưu. Bên cạnh đó thì những phân tích tính toán cũng được dùng làm cơ sở để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới ở chương tiếp theo.

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới bằng cách tách chuyển động hỗn hợp của rotor thành thành hai chế độ chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tại tâm của rotor. Từ đặc điểm của mô hình toán học đã xây dựng, phương pháp điều khiển phù hợp đã được chọn lựa để áp dụng. Ở đây là phương pháp điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tọa độ tâm của rotor và pháp điều khiển phi tuyến dựa trên bộ điều khiển trượt (SMC) đã được thiết kế. Chương 4: Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai mới với các thông số tính toán ở chương 2 và làm thực nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống.

Phần kết luận: Đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Đưa ra đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI 1.1 Khái niệm chung về ổ từ Trong các chuyển động quay, ổ bi là một bộ phận được dùng để đỡ trục và giảm ma sát giữa phần quay và phần không quay. Cấu tạo của ổ bi được mô tả trong Hình 1.1 dưới đây: Hình 1.1 Cấu tạo ổ bi Ổ bi là một bộ phận nhỏ tuy nhiên lại rất quan trọng đối với các hoạt động quay của thiết bị.

Khi phải làm việc với tốc độ quay cao, trong môi trường bụi bẩn, khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao., ổ bi gặp phải một số nhược điểm như: thường xuyên phải bôi trơn, bảo dưỡng, kiểm tra thay thế. Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc cả trong môi trường yêu cầu độ sạch cao. Xuất phát từ những khó khăn, nhược điểm mà ổ bi đang gặp phải, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế ổ bi và một trong số đó chính là ổ từ (Hình 1. Trong ổ từ, các cực từ tạo ra dụng lực từ để nâng rotor trong các chuyển động quay mà không có tiếp xúc cơ khí, lực ma sát gần như bằng không.

Do đặc điểm nâng không tiếp xúc, công nghệ ổ từ đã đưa ra những ưu điểm nổi bật so với các loại ổ bi thông thường. Ổ từ không chỉ giúp tăng hiệu suất cho máy móc và thiết bị. Ổ từ còn có khả năng chịu tải lớn, tốc độ cao và cho phép làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, nhiệt độ quá thấp hoặc môi trường chân không., khi mà các điều kiện về bôi trơn, bảo dưỡng là khó khăn.2 Cấu tạo ổ từ Do những ưu điểm về hiệu năng, độ bền và phạm vi ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, lĩnh vực hàng không vũ trụ.[7-11], nên ổ từ đang thu hút được các nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn. Ổ từ được coi là một trong những ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21.

Ổ từ được chia làm 3 loại: 1.1 Ổ từ bị động (PMB) Ổ từ bị động cấu tạo gồm nam châm vĩnh cửu và vật liệu sắt từ để dẫn từ thông[1-2]. Với loại ổ từ này, lực nâng rotor được tạo ra nhờ vào sự tác động giữa các khối nam châm vĩnh cửu có cực tính khác nhau. Chúng có thể được chế tạo ở dạng đẩy hoặc hút như Hình 1.3 Cấu tạo ổ từ bị động dạng đẩy Vì nguồn sinh lực từ trường đơn thuần chỉ là nam châm vĩnh cửu nên ổ từ bị động có cấu tạo đơn giản, không tiêu tốn năng lượng và cũng không cần bộ điều khiển để duy trì ổn định. 19 Tuy nhiên, ổ từ bị động có đặc tính cố định được thiết lập bởi kích thước và thiết kế cơ khí, nguồn tạo ra lực từ trường bởi nam châm vĩnh cửu không thể thay đổi.

Nên khả năng giảm chấn kém, khó có thể giữ ổn định vật với tải trọng thay đổi. Do đó, việc ứng dụng trong công nghiệp chỉ giới hạn trong các ứng dụng mà tải trọng không đổi hoặc có sẵn bộ giảm rung chấn, ví dụ vật thể bay được nhúng trong chất lỏng.2 Ổ từ chủ động (AMB) Ổ từ chủ động thông thường bao gồm các bộ phận là nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách. Ổ từ chủ động làm việc dựa trên nguyên tắc điều chỉnh lực từ thông qua dòng điện (Hình 1. Ổ từ chủ động cho phép điều khiển hệ số cứng và hệ số tắt dần của ổ đỡ, do đó có thể điều chỉnh trạng thái động học của đối tượng trong suốt quá trình hoạt động.

Nhờ đó ổ từ chủ động có khả năng ổn định vị trí trục nâng mà không phụ thuộc tải, hấp thụ các lực không cân bằng trong hệ thống quay, giảm rung động và có khả năng giám sát trạng thái hoạt động thông qua hệ thống điều khiển [3-4].4 Cấu tạo ổ từ chủ động 1.3 Ổ từ kiểu lai (HMB) Ổ từ kiểu lai là ổ từ kết hợp ổ từ chủ động và ổ từ bị động [12]. Trong ổ từ kiểu lai có thành phần nam châm điện và nam châm vĩnh cửu kết hợp với nhau (Hình 1. Nam châm điện dùng để điều chỉnh lực từ thay đổi phù hợp với điều kiện làm việc và tải trọng động. Còn nam châm vĩnh cửu để bù lại tải tĩnh (như trọng lượng của rotor), làm tăng hệ số cứng và giảm năng lượng cần thiết cấp cho nam châm điện 20 [5-6].

Với những ưu điểm kết hợp của cả hai loại ổ từ chủ động và ổ từ bị động, ổ từ kiểu lai chính là đối tượng nghiên cứu của đề tài. Trong phần tiếp theo sẽ trình bày các nghiên cứu tổng quan về ổ từ kiểu lai.5 Cấu tạo ổ từ kiểu lai 1.2 Nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu lai Nghiên cứu về ổ từ kiểu lai thường tập trung vào hai hướng nghiên cứu chính, nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai và nghiên cứu về các phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai.1 Nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai Như thể hiện trong Hình 1.5 ở trên, lực từ tác dụng lên rotor sẽ phụ thuộc vào số lượng cực từ bố trí quanh rotor, phụ thuộc vào đường dẫn từ thông của nam châm điện và nam châm vĩnh cửu trong mạch từ khép kín giữa phần stator (gồm các cực từ) và rotor. Do vậy nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai sẽ nghiên cứu về số lượng cực từ và cách bố trí nam châm điện và nam châm vĩnh cửu trong cực từ của ổ từ kiểu lai.1 Số lượng cực từ Theo số lượng cực từ, ổ từ kiểu lai có ba loại chính là loại ổ từ kiểu lai 3 cực, loại 4 cực hoặc loại 8 cực (Hình 1. 21 3 cực 4 cực 8 cực Hình 1.6 Số lượng cực từ của ổ từ kiểu lai Loại ổ từ kiểu lai 3 cực có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ chế tạo và số lượng bộ khuếch đại công suất ít.

Tuy nhiên lực nâng có phân bố không đối xứng, khó thực hiện việc tách kênh đường dẫn từ thông và có tính phi tuyến cao, vì vậy việc đảm bảo ổ từ kiểu lai 3 cực làm việc ổn định là rất khó khăn và thường đòi hỏi hệ điều khiển phức tạp [13-14]. Loại ổ từ kiểu lai 8 cực có phân bố lực nâng đối xứng và dễ dàng thực hiện điều khiển tách kênh nhưng lại có quá nhiều cực dẫn tới số lượng bộ khuếch đại công suất và tổn hao trong ổ từ cũng tăng. Để dung hòa cả giữa hai loại ổ từ kiểu lai trên thì ổ từ kiểu lai 4 cực đang được đẩy mạnh nghiên cứu [15-17] và hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều hãng sản xuất (Synchrony, Mutecs).2 Cách bố trí nam châm điện và nam châm vĩnh cửu Cách bố trí nam châm điện và nam châm vĩnh cửu của ổ từ kiểu lai được thể hiện qua 3 dạng chính như sau: a) Dạng 1: Hình 1.7 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 1 22 Như mô tả trên Hình 1.7, cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 1 gồm một nam châm vĩnh cửu được bố trí chính giữa của 2 nam châm điện tạo ra cấu trúc cân xứng [18-21]. Lực từ được tạo ra bởi tổng hợp của từ thông của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đi qua khe hở không khí trong mạch từ khép kín giữa stator và rotor.

Tuy nhiên các đường từ thông đan xen cắt nhau qua tâm rotor dẫn đến khó điều khiển và tổn thất năng lượng từ trường.8 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 2 Dạng 2 có cấu trúc gần giống với dạng 1 (Hình 1.8), nhưng nam châm vĩnh cửu là một vòng tròn vì vậy tăng được lực từ bị động [22]. Ngoài ra rotor có cấu tạo rỗng nên giảm các đường từ thông cắt nhau qua tâm rotor. Tuy nhiên, từ hóa để tạo ra một vành nam châm vĩnh cửu như vậy là rất khó khăn và tốn chi phí. Các cực từ vẫn kết nối với nhau quanh vành tròn dẫn từ nên vẫn còn xen kênh từ thông từ cực này sang cực kia.

c) Dạng 3: Dạng 3 có cấu trúc như trong Hình 1.