Luận văn ThS Kỹ thuật Trần Phương Lập: Thiết kế bộ điều khiển mờ cho động cơ ổ đỡ từ

Luận văn nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ cho động cơ tích hợp ổ đỡ từ, giải quyết thách thức điều khiển phi tuyến, nâng cao chất lượng.

• Tác giả: Trần Phương Lập
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Xuân Minh
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. Mục tiêu của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản
• 1.1.2. Phân loại các kiểu treo từ tính
• 1.2. Vòng bi dạng ổ đỡ từ (Vòng bi từ) tích cực và các ứng dụng nổi bật
• 1.2.1. Các cấu trúc cơ bản của ổ đỡ từ chủ động
• 1.2.2. Hệ truyền động sử dụng Ổ đỡ từ tích cực
• 2. CHƯƠNG 2: Mô tả toán học ổ đỡ từ tích cực trong điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ
• 3. CHƯƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ cho ổ đỡ từ trong động cơ tích hợp ổ đỡ từ
• Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt

I. Tổng Quan Điều Khiển Mờ Động Cơ Tích Hợp Ổ Đỡ Từ Cách Tiếp Cận

Luận văn này tập trung vào thiết kế điều khiển mờ cho động cơ tích hợp ổ đỡ từ, một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ đặt ra hai bài toán chính: điều khiển động cơ và điều khiển ổ đỡ từ. Mục tiêu là giữ trục động cơ ổn định tại tâm của ổ đỡ. Luận văn này đi sâu vào phương pháp điều khiển ổ đỡ từ để đạt được chất lượng điều khiển mong muốn. Ổ đỡ từ là công nghệ cao, công nghệ xanh, nhưng kích thước lớn và giá thành cao là rào cản. Trong tương lai, với các nghiên cứu thu gọn kích thước và giảm giá thành, ổ đỡ từ sẽ thay thế vòng bi cơ khí trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, quốc phòng và vũ trụ. Bộ điều khiển là yếu tố then chốt của ổ đỡ từ. Hiện nay, bộ điều khiển còn nhiều hạn chế như thiếu thích nghi, bền vững và tín hiệu điều khiển chưa tối ưu. Nguyên nhân là do tính phi tuyến cao của động lực học ổ đỡ từ. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ phi tuyến, chịu nhiễu và tham số thay đổi vẫn còn nhiều thách thức. Trong số nhiều phương pháp điều khiển ổ đỡ từ, luận văn này tập trung vào thiết kế điều khiển mờ.

1.1. Mục Tiêu Nghiên Cứu và Phạm Vi Luận Văn

Luận văn đặt ra mục tiêu nghiên cứu mô tả toán học cho ổ đỡ từ và thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều khiển ổ đỡ từ. Nội dung luận văn bao gồm: Tổng quan về động cơ tích hợp ổ đỡ từ, mô tả toán học ổ đỡ từ, thiết kế bộ điều khiển mờ, kết luận và kiến nghị. "Mục tiêu của luận văn là điều khiển trục động cơ ổn định ở chính giữa tâm của 2 ổ đỡ từ ở 2 đầu trục động cơ nên phạm vi nghiên cứu của đề tài luận văn là tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển ổ đỡ từ nhằm đạt chất lượng điều khiển như mong muốn."

1.2. Ý Nghĩa Khoa Học và Ứng Dụng Thực Tiễn

Ổ đỡ từ trường được sử dụng trong động cơ điện hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh mới. Hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi ổ đỡ từ hiện nay là do kích thước lớn và giá thành cao. Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu thành công trong việc thu gọn kích thước và giảm giá thành của ổ đỡ từ thì sự thay thế vòng bi cơ khí để làm việc ở các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị quốc phòng và công nghiệp vũ trụ,. sẽ là điều tất yếu.

II. Giải Quyết Thách Thức Tổng Quan Động Cơ Tích Hợp Ổ Đỡ Từ Cách Tiếp Cận

Các hệ thống truyền động sử dụng động cơ với vòng bi cơ khí có nhiều nhược điểm về độ bền, ma sát, hạn chế tốc độ. Ổ đỡ từ sử dụng lực từ để hỗ trợ chuyển động mà không cần tiếp xúc cơ học. Ưu điểm của công nghệ này bao gồm loại bỏ hệ thống bôi trơn, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao và đặc tính động có thể điều chỉnh. Ứng dụng công nghiệp của ổ đỡ từ đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Nghiên cứu bao trùm các lĩnh vực như cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu. Các ứng dụng quan trọng bao gồm máy gia tốc, máy ly tâm, thiết bị y tế, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và bộ cách ly rung động. Bộ điều khiển có thể thay đổi thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ, điều chỉnh đặc tính động và giảm rung động. Hệ thống đo lường hiện đại tích hợp trong hệ thống treo từ tính không chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ và tốc độ quay mà hệ thống đo lường này còn có thể phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó.

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động Cơ Bản của Ổ Đỡ Từ

Cấu trúc điện-từ cơ bản và bộ điều khiển phản hồi cho hệ thống treo từ tính một trục bao gồm cuộn dây tạo lực từ để treo vật kim loại. Dòng điện tạo ra từ thông. Cảm biến chuyển vị đo độ dịch chuyển của vật so với vị trí chuẩn. Bộ vi xử lý tạo tín hiệu điều khiển, bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu thành dòng điện, sinh ra từ trường và lực từ. Bằng cách này, vật được treo ở vị trí lơ lửng. Lượng đặt của lực từ bằng tổng lực tắt dần và lực đàn hồi. Bộ điều khiển tạo dòng điện để tạo lực từ bám sát lượng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện điều khiển dòng điện bằng cách đặt điện áp lên cuộn dây. "Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số vòng dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) được sinh ra và bằng Ni."

2.2. Phân Loại Các Kiểu Treo Từ Tính

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau để tạo lực từ hỗ trợ hoặc treo vật thể mà không tiếp xúc. Có thể chia thành hai nhóm chính: lực từ trở và lực Lorentz. Lực từ trở sinh ra từ năng lượng tích trữ trong từ trường. Lực Lorentz do trường điện từ tác động lên các hạt mang điện. Điều kiện tiên quyết là lực từ phải giữ vật thể ở trạng thái treo ổn định. Trong ứng dụng công nghiệp, cần mạch vòng điều khiển để thích ứng từ trường đối với chuyển động của vật treo, dẫn đến khái niệm ổ đỡ từ tích cực. Mạch LC làm việc tại vùng gần cộng hưởng. Từ trường vĩnh cửu hữu ích để hỗ trợ vật thể. Vật liệu siêu dẫn có thuộc tính đặc biệt (μr = 0). Dựa trên lực Lorentz, có nhiều loại khác nhau dựa trên dòng điện. Các công nghệ liên quan bao gồm điều khiển điện, điện tử công suất và xử lý tín hiệu số.

2.3. Vòng Bi Dạng Ổ Đỡ Từ Tích Cực và Ứng Dụng

Các vòng bi dạng ổ đỡ từ tích cực (AMB) được dùng nhiều hơn vòng bi thụ động (PMB). AMB có khả năng điều khiển dễ dàng và tự do. Vòng bi PMB có thuộc tính cố định và khả năng tắt dần thấp. Cấu trúc cơ bản của máy điện không ổ đỡ bao gồm ổ đỡ từ theo hai phương, năm phương và sự phối hợp giữa ổ đỡ từ thông thường và ổ đỡ cơ khí. Cấu trúc treo từ tính theo 2 phương có trục động cơ nằm trong lõi của rotor. Tải có thể được gắn vào đầu cuối của trục. Rotor có thể được đặt phía ngoài của stator. Truyền động bánh đà hoặc ổ đĩa cứng sử dụng cấu trúc này.

III. Hướng Dẫn Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Mờ Chỉnh Định PID

Hệ thống truyền động động cơ dùng vòng bi dạng ổ đỡ từ bao gồm động cơ đặt giữa hai vòng bi dạng ổ đỡ từ. Lực hướng kính được điều khiển bằng hệ thống điều khiển phản hồi âm sao cho vị trí trục được điều chỉnh ở vị trí chính giữa của khung stator. Tổng thể có tất cả năm trục tọa độ được điều khiển bởi hệ thống treo từ tính. Dòng điện trên cuộn dây sinh ra lực từ hấp dẫn. Một biến tần ba pha cung cấp tần số và điện áp thay đổi. Hệ truyền động không ổ đỡ không cần bảo dưỡng ổ đỡ cơ khí và bôi trơn dầu. Ưu điểm của hệ truyền động không ổ đỡ là nhỏ gọn, giá thành thấp và hiệu suất cao. Thuộc tính không tiếp xúc cho phép sử dụng trong hệ thống chân không, môi trường sạch hoặc nhiệt độ cao. Rotor có thể quay ở tốc độ cao. Tổn thất trong ổ đỡ thấp. Khả năng chịu tải phụ thuộc vào vật liệu sắt từ và thiết kế. Bộ vi xử lý thực thi việc điều khiển khiến cho thiết kế điều khiển linh hoạt.

3.1. Các Ứng Dụng Tiêu Biểu Của Hệ Thống

Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm hệ thống chân không và không gian sạch, máy công cụ, máy gia tốc, thiết bị y tế và bộ treo siêu dẫn. Các công nghệ liên quan bao gồm điện tử công suất, xử lý tín hiệu số, vòng bi từ, động cơ điện, điều khiển vector. Công nghệ điện tử công suất cho phép điều khiển dòng điện tức thời. Xử lý tín hiệu số tăng tốc độ tính toán và giảm giá thành. Treo từ tính yêu cầu thời gian trích mẫu nhỏ. Bù mất cân bằng và quay tự do là các đặc trưng điều khiển. Tín hiệu rung động được đo đếm, nhận dạng và sử dụng để tạo ra thành phần chống lại hoặc bù các lực đỡ. Độ chính xác trạng thái rotor phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu đo. Chi phí bảo dưỡng thấp hơn và tuổi thọ làm việc dài hơn trong điều kiện khắc nghiệt. "Với sự góp mặt của các thiết bị điện tử công suất có tần số đóng cắt cao như IGBT và MOFET thì việc điều khiển dòng điện tức thời là hoàn toàn có thể."

3.2. Tình Hình Nghiên Cứu Trong Và Ngoài Nước

Mặc dù khái niệm động cơ điện dùng ổ đỡ từ mới xuất hiện gần đây, nó đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, mô hình động cơ điện tự nâng với từ thông dọc trục tích hợp sử dụng ổ đỡ từ dọc trục đã được nghiên cứu thiết kế và chế tạo. Tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, các nghiên cứu tập trung vào nguyên lý nâng bằng từ trường, phương pháp điều khiển vòng bi dạng ổ đỡ từ, chế tạo và thu nhỏ kích thước, tích hợp chức năng vòng bi dạng ổ đỡ từ dọc trục, điều khiển vector cho động cơ tự nâng không dùng cảm biến tốc độ. Các nghiên cứu ngoài nước tập trung vào điều khiển PID mờ, điều khiển thay đổi tham số tuyến tính (LPV), điều khiển bền vững ổ đỡ từ đơn cực, hệ thống điều khiển lai kết hợp PID và điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu (RMRAC), thiết kế mới ổ đỡ từ và hệ thống điều khiển tích hợp dựa trên nguyên lý lực Lorentz và Maxwell.

IV. Phương Pháp Mô Tả Toán Học Ổ Đỡ Từ Tích Cực Cách Phân Tích

Chương 2 đi sâu vào mô tả toán học ổ đỡ từ chịu lực hướng tâm, làm cơ sở để mô tả toán học cho ổ đỡ từ 4 bậc tự do trong điều khiển động cơ tích hợp ổ đỡ từ. Hệ truyền động điện sử dụng động cơ có tích hợp ổ đỡ từ khác biệt so với hệ truyền động điện thông dụng. Động cơ điện một bậc tự do làm việc trong một số môi trường đặc biệt. Hệ truyền động điện có tích hợp ổ từ được dùng khi có yêu cầu đặc biệt như tốc độ quay rất lớn, làm việc trong môi trường chân không hoặc nhiệt độ cao/thấp, không được phép dùng dầu mỡ bôi trơn ổ trục. Bậc tự do của hệ là sáu. Ổ đỡ từ chủ động (AMB) có thể điều chỉnh lực điện từ bằng dòng điện. Nguyên lý làm việc của AMB giống nam châm điện. Thay vì sinh mô men cho trục quay, AMB sinh ra lực nâng ở ngõng trục. Lực nâng từ trường làm cho rotor quay mà không tiếp xúc với phần tĩnh.

4.1. Động Cơ Đồng Bộ Từ Thông Dọc Trục Tích Hợp Ổ Đỡ Từ

Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu có tích hợp ổ đỡ từ giúp thu gọn kích thước và nâng cao khả năng điều chỉnh tốc độ. Động cơ có hai stator ở hai bên và rotor nam châm vĩnh cửu kép hình đĩa ở giữa. Động cơ vừa sinh mô men quay, vừa sinh lực đẩy kéo dọc trục để giữ rotor ở vị trí danh định. Các lực Fx và Fy giữ rotor ở vị trí danh định với khe hở giữa stator và rotor theo phương x và y bằng g0. Ổ đỡ từ bị nhiễu (chủ yếu là nhiễu tải) sẽ có hiện tượng trục quay chuyển dịch song song với trục tâm stator tạo ra khoảng cách xp và yp so với trục z. Thành phần của mạch vòng điều khiển bao gồm rotor, cảm biến vị trí, bộ điều khiển và bộ khuếch đại công suất. Cảm biến đo độ sai lệch giữa vị trí mong muốn và vị trí thực của rotor. Bộ điều khiển duy trì vị trí của rotor và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ khuếch đại công suất. Bộ khuếch đại chuyển tín hiệu thành dòng điện để tạo lực điện từ.

4.2. Cơ Sở Toán Học Của Hệ Nâng Từ Trường

Trong công nghệ treo từ tính, các phần tử điện tử gây ra từ thông khép kín trong một mạch vòng từ. Việc tính toán chính xác từ trường thường không khả thi. Thông thường sử dụng phương pháp phân tích xấp xỉ hóa dựa vào các giả thiết. Từ thông khép mạch hoàn toàn trong lõi sắt từ. Độ thẩm từ của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều so với độ thẩm từ không khí. Mật độ từ thông của mạch từ được xác định. Lực từ động (MMF) được tính theo công thức. Từ trở của mạch từ được định nghĩa. Độ tự cảm L là tỷ số của từ thông dây quấn với dòng điện. Điện áp cảm ứng u trên cuộn dây được tính bằng Ld*di/dt.

4.3. Phương Trình Điện Từ Và Động Lực Học

Các lực điện từ khi kể đến từ hóa lõi thép được xác định. Năng lượng từ Wa được tích trữ. Lực tác động lên vật thể sắt từ là hàm số của độ chuyển dịch. Đối với vòng bi từ hướng kính, các lực của các cực từ phụ thuộc vào góc α. Quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện có thể biểu diễn bằng khai triển Taylor. Mối quan hệ giữa lực điện từ và dòng điện là phi tuyến. Các phương trình động lực học của hệ thống AMB mô tả chuyển động của vật treo. Mô hình từ thông cho phép tính toán phương trình cân bằng về điện áp theo định luật Kirchoff.

V. Bí Quyết Tối Ưu Điều Khiển Mờ Cho Hiệu Suất Cao Cách Thực Hiện

Động lực học của rotor cứng quan tâm đến các thuộc tính về hệ cơ của AMB. Phân tích động lực học là cần thiết để khảo sát ảnh hưởng phi tuyến và xây dựng mô hình tham số chính xác cho AMB. Hệ thống gồm hai bộ AMB điều khiển chuyển vị theo 4 bậc tự do. Khi xem xét các góc nghiêng, ảnh hưởng hồi chuyển gây ra sự xen kênh. Cấu trúc của hệ thống AMB bao gồm hai bộ AMB ở hai đầu trục động cơ. Mỗi stator gồm có 4 cực và một gông từ. Gông từ làm nhiệm vụ cố định phần stator và làm đường dẫn khép kín cho đường đi của từ thông. Các lực từ treo rotor được điều khiển tích cực bằng cách điều khiển dòng điện.

5.1. Phương Trình Động Lực Học Hệ Thống Hai Bậc Tự Do

Để đánh giá các thành phần lực và momen, ta khảo sát hệ thống hai bậc tự do. Trục rotor quay tại tốc độ góc ωrm. Các vị trí góc θx và θy là các góc nghiêng trục k so với trục z. Mômen quán tính trên trục j bằng với mômen quán tính trên trục i. Các phương trình vi phân mô tả sự cân bằng momen của chuyển động. Momen hồi chuyển là tích của tốc độ quay ωrm trên trục z, quán tính trên trục k và tốc độ góc của trục vuông góc.

5.2. Phương Trình Động Lực Học Hệ Thống Bốn Bậc Tự Do

Hệ thống AMB có bốn bậc tự do bao gồm hai bộ AMB hướng kính. Chuyển động của trục rotor có thể biểu diễn bằng chuyển dịch tịnh tiến và chuyển dịch nghiêng. Các lực tịnh tiến và lực nghiêng cũng có thể mô tả dựa trên lực hướng kính của AMB. Các phương trình động lực học đối với chuyển động tịnh tiến xem xét lực hướng kính của cả hai bộ AMB. Các biến đầu vào và đầu ra là các lực hướng kính và độ chuyển dịch.

5.3. Tách Kênh Động Cho Hệ Thống Bốn Bậc Tự Do

Mô hình không gian trạng thái của AMB 4 bậc tự do được xuất phát từ hệ phương trình vi phân biểu diễn cho các chuyển động tịnh tiến và chuyển động nghiêng của 2 bộ AMB. Vector lực điện từ biểu diễn cho 2 bộ AMB. Phép biến đổi sử dụng ma trận chuyển vị tuyến tính TS để chuyển đổi hệ quy chiếu ổ đỡ qb sang hệ quy chiếu COG. Các ma trận hệ thống A, B, C, D được xác định để biểu diễn mô hình không gian trạng thái của toàn hệ thống AMB. Các bước tiến hành tính M , R được thực hiện.

VI. Kết Luận Tương Lai Triển Vọng Điều Khiển Mờ Động Cơ Tích Hợp

Luận văn đã trình bày về thiết kế điều khiển mờ cho động cơ tích hợp ổ đỡ từ, làm rõ các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ và ổ đỡ từ, mô tả toán học và phân tích động lực học của hệ thống. Phương pháp điều khiển mờ hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong điều khiển hệ thống phi tuyến và chịu nhiễu. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào tối ưu hóa bộ điều khiển mờ, ứng dụng các thuật toán học máy và trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Ứng dụng thực tế của động cơ tích hợp ổ đỡ từ trong các lĩnh vực như công nghiệp, y tế và hàng không vũ trụ cũng cần được đẩy mạnh.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Luận văn đã giải quyết các vấn đề về điều khiển mờ cho động cơ tích hợp ổ đỡ từ, từ tổng quan về hệ thống đến mô tả toán học và phân tích động lực học. Các phương trình động lực học và mô hình không gian trạng thái đã được xây dựng và phân tích. Các phương pháp tách kênh đã được đề xuất để giải quyết vấn đề xen kênh trong hệ thống nhiều bậc tự do. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển thực tế.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Tiếp Theo

Các hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo có thể tập trung vào: Tối ưu hóa bộ điều khiển mờ sử dụng các thuật toán tối ưu hóa thông minh. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi và học tăng cường để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống trong môi trường thay đổi. Ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo để phát hiện và khắc phục lỗi trong hệ thống. Nghiên cứu các giải pháp phần cứng và phần mềm để triển khai hệ thống điều khiển mờ trong thực tế. Ứng dụng động cơ tích hợp ổ đỡ từ trong các lĩnh vực khác nhau, như công nghiệp, y tế và hàng không vũ trụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ 1.1 Giới thiệu chung Thực tế cho thấy các hệ thống truyền động sử dụng động cơ với trục chuyển động được giữ bởi các vòng bi cơ khí, ổ đỡ chất lỏng có nhiều nhược điểm về độ bền, ma sát, hạn chế tốc độ…. Trong khi đó các vòng bi dạng ổ đỡ từ sử dụng các lực từ để hỗ trợ cho chuyển động của máy mà không cần có tiếp xúc cơ học. Do đặc điểm treo nhờ lực từ không tiếp xúc, công nghệ ổ đỡ từ có một số ưu điểm nổi bật so với các loại ổ đỡ thông thường. Những ưu điểm này bao gồm loại bỏ được các hệ thống bôi trơn ổ đỡ, hệ số ma sát thấp, tốc độ rotor cao và các đặc tính động có thể điều chỉnh được.

Các vòng bi dạng ổ đỡ từ có khả năng đáp ứng khả năng chịu tải lớn bằng cách tối ưu hóa hệ thống và các thông số của vật liệu, bao gồm khe hở không khí của ổ đỡ, từ thông bão hòa của vật liệu từ, diện tích bề mặt của ổ đỡ, số lượng vòng dây trên các cực từ và công suất bộ khuếch đại. Các vòng bi dạng ổ đỡ từ có thể cho phép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ rất cao, nhiệt độ rất thấp và chân không. Một hệ thống đo lường hiện đại tích hợp trong hệ thống treo từ tính không chỉ giám sát tức thời các thông số của hệ như vị trí rotor, độ lắc ngang, độ rung động hướng trục, dòng điện, nhiệt độ và tốc độ quay mà hệ thống đo lường này còn có thể phân tích được sự mất cân bằng bằng cách tính toán được vị trí và biên độ của nó. Bộ điều khiển có thể thay đổi các thuộc tính tắt dần và độ cứng của ổ đỡ.

Điều này cho phép bộ điều khiển điều chỉnh được đặc tính động ảnh hưởng lên các tần số cộng hưởng của hệ thống và làm giảm rung động lan truyền [6]. Ứng dụng của công nghệ đỡ từ đã trải qua một sự phát triển rõ rệt trong những năm gần đây. Đã có nhiều các nghiên cứu quan trọng được tiến hành bao trùm lên tất cả các lĩnh vực liên quan đến ổ đỡ từ. Ta có thể kể ra ở đây bao gồm công nghệ cảm biến và điều khiển, mô hình hóa và nhận dạng, công nghệ vật liệu và các thành phần… Cho đến nay, các ứng dụng quan trọng của các vòng bi dạng ổ đỡ từ gồm có máy gia tốc, máy ly tâm, máy chân không, các thiết bị y tế công nghệ cao, các ứng dụng cho môi trường sạch tuyệt đối, công nghệ robot, truyền động tốc độ cao, các thiết bị làm download by : [e-mail] 4 việc ngoài không gian, các hệ thống bánh đà tích trữ năng lượng và các bộ cách ly rung động [6].

Nguyên lý làm việc cơ bản và phân loại của các ổ đỡ từ 1.1 Nguyên lý làm việc cơ bản Cấu trúc điện - từ cơ bản và một bộ điều khiển phản hồi cho một hệ thống treo từ tính một trục được thể hiện như trong hình vẽ 1. Kích thích của cuộn dây sẽ tạo ra lực từ để treo đối tượng kim loại hình chữ nhật. Khi đó đối tượng sẽ được giữ tự do theo phương thẳng đứng. Dòng điện i sẽ tạo ra từ thông ψ.

Đường đi của từ thông được thể hiện bằng đường nét đứt và đi qua khe hở không khí hai lần theo chiều thẳng đứng. Lực hấp dẫn giữa vật thể treo và lõi sắt từ là một hàm số của dòng điện i, và tỷ lệ thuận với bình phương với dòng điện i khi lõi sắt từ chưa bão hòa. Trong các điều kiện xác lập, lực hấp dẫn này được điều chỉnh để bằng với tích của trọng lượng vật treo m và gia tốc trọng trường ga nhằm thỏa mãn cân bằng lực. Sensor chuyển vị sẽ đo mức độ dịch chuyển của vật thể treo theo chiều thẳng đứng so với vị trí chuẩn của nó.

Điện áp ra của sensor sẽ là tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển. Một bộ vi xử lý đóng vai trò như là một bộ điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển từ thông tin đo lường, một bộ khuếch đại công suất chuyển tín hiệu điều khiển này thành dòng điện điều khiển, và dòng điện này sẽ sinh ra từ trường trong mạch từ, như vậy các lực từ sẽ được tạo ra. Bằng cách đó, vật thể sẽ được treo ở vị trí lơ lửng của nó. Một lượng đặt của lực từ được tạo ra để treo ổn định vật thể.

Lượng đặt của lực này bằng tổng đại lượng của lực tắt dần và lực đàn hồi. Lượng điều khiển của lực đàn hồi tỷ lệ thuận với độ chuyển vị của vật thể treo. Còn đối với lực tắt dần thì lực này tỷ lệ thuận với tốc độ dịch chuyển của vật thể treo. Các đại lượng này có chiều ngược với chuyển vị và tốc độ đối với phản hồi âm.

Bộ điều khiển tạo ra lượng dòng điện điều khiển để nhằm tạo ra lực từ bám sát với lượng lực từ đặt. Bộ điều chỉnh dòng điện sẽ điều khiển dòng điện bằng cách đặt một điện áp lên các đầu cuộn dây. download by : skknchat@gmail.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống treo nhờ lực từ trường (treo từ tính) Hình 1.2: Chức năng cơ bản của một ổ đỡ từ chủ động: Treo rotor theo phương thẳng đứng Dòng điện i chạy trong một cuộn dây, và nếu ta giả thiết rằng cuộn dây có số vòng dây là N thì khi đó một lực từ động (MMF) được sinh ra và bằng Ni. Với các vật liệu sắt từ có độ thẩm từ cao thì từ thông sẽ đi theo đường như trong hình vẽ và đi qua khe hở hai lần.

Độ tập trung từ thông cực đại trong khe hở không khí sẽ quyết định độ lớn của lực trong phần điện từ. Độ tập trung từ thông lớn sẽ tạo ra lực từ lớn. Tuy nhiên, độ tập trung từ thông cực đại được giới hạn trong khảng từ (1.7 ÷ 2) T đối với thép silic thông thường. Một lưu ý quan trọng nữa đó là chiều dài khe hở không khí phải được giữ càng nhỏ càng tốt để giảm dòng điện và các tổn thất.

Bằng cách chủ động điều khiển động lực học của phần điện từ để tạo ra các lực điện từ chính là nguyên lý cơ bản mà trên thực tế được sử dụng trong hầu hết các ổ đỡ download by : skknchat@gmail.2 giới thiệu các thành phần chính và diễn giải chức năng của một ổ đỡ từ đơn giản để nâng rotor theo một hướng. Luật điều khiển ở đây thực hiện nhiệm vụ duy trì sự ổn định của trạng thái treo cũng như độ cứng và độ tắt dần của quá trình treo đó. Độ cứng và độ tắt dần có thể được thay đổi rộng trong giới hạn vật lý của hệ thống, và có thể được điều chỉnh theo yêu cầu công nghệ. Đồng thời chúng có thể được thay đổi trong suốt quá trình làm việc theo yêu cầu của bài toán điều khiển đặt ra.2 Phân loại các kiểu treo từ tính Có rất nhiều các kiểu thiết kế khác nhau để tạo ra các lực từ nhằm hỗ trợ hoặc treo một vật thể mà không chịu bất kỳ một tiếp xúc nào.

Thậm chí vật thể đó không thể treo ở trạng thái ổn định và tự do thì ít nhất việc treo này cũng có thể đạt được trong một vài bậc tự do. Phân loại này mang tính hệ thống bao trùm lên các kiểu treo từ tính đã biết. Theo cách mà các lực từ được tính toán và biểu diễn thì ta có thể chia ra làm hai nhóm chính, đó là lực từ trở và lực Lorentz. Đối với trường hợp thứ nhất, lực từ trở được sinh ra từ năng lượng tích trữ trong từ trường và có thể chuyển đổi sang dạng cơ năng.

Do vậy, lực từ trở thu được từ công thức sau: W f (1.1) s Trong đó: W là năng lượng từ trường. s là độ dịch chuyển của vật thể treo. Lực từ xét trong trường hợp này này luôn gia tăng tại bề mặt giữa các độ từ thẩm tương đối khác nhau μr, ví dụ như giữa thép và không khí. Hướng của lực vuông góc với bề mặt của các lớp vật liệu khác nhau.

Sai lệch tương đối của độ từ thẩm càng lớn thì lực từ f càng lớn. Với các vật liệu sắt từ có μr >> 1 thì các lực từ này có thể rất lớn, do vậy mà nó có thể đáp ứng được những yêu cầu trong các ứng dụng kỹ thuật. Trong các tài liệu về máy điện, độ cản từ được gọi là từ trở. Giá trị này tỷ lệ nghịch với độ thẩm từ μr.

Lực tác động theo cách này thường có xu hướng làm giảm độ từ trở. Các động cơ điện khai thác thuộc tính này được gọi là động cơ từ trở. download by : [e-mail] 7 Một điều kiện tiên quyết nữa đó là các lực từ tác động lên vật thể phải giữ cho vật thể ở trong trạng thái treo ổn định. Trong các ứng dụng công nghiệp, thông thường một mạch vòng điều khiển là cần thiết để thích ứng liên tục từ trường đối với chuyển động của vật thể treo.

Yêu cầu này dẫn đến khái niệm các vòng bi dạng ổ đỡ từ dạng ổ đỡ từ tích cực. Nằm trong nhóm phân loại này gồm có các bộ treo từ loại 1 đến loại 4. Loại 1 được gọi là các bộ treo lực từ trở tích cực. Kiểu này thậm chí còn có thể phân biệt theo nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn như theo cách điều khiển tích cực, theo từ trường, từ thông, khoảng cách giữa stator và rotor được điều khiển.

Loại 2 là các bộ treo dùng mạch LC. Mạch LC được cấu trúc bởi điện cảm của cuộn dây treo điện từ và một tụ điện. Độ chuyển dịch của rotor làm thay đổi điện cảm của mạch điện từ. Mạch LC làm việc tại vùng gần cộng hưởng và được điều chỉnh sao cho tiếp cận vùng cộng hưởng khi rotor dịch chuyển ra xa khỏi phần điện từ.

Điều này tạo ra một dòng điện gia tăng từ nguồn điện áp xoay chiều và do đó sẽ kéo rotor trở lại vị trí danh định của nó. Lực và độ cứng không lớn nhưng đủ để đáp ứng cho một số các ứng dụng của các dụng cụ đo. Do kiểu này ổn định mà không cần mạch vòng điều khiển nên được gọi là thụ động. Nhược điểm chính của kiểu này đó là không thể tắt dần.

Loại 3 là loại từ trường vĩnh cửu (μr >> 1) có cấu trúc tĩnh và không thể ổn định hóa vị trí của vật thể treo.