Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1. Lịch sử phát triển của động cơ tuyến tính Từ năm 1840, Charles Wheastone đã mô tả động cơ điện tuyến tính (còn gọi là động cơ truyền động thẳng) ở Viện Hoàng Gia London, tuy nhiên động cơ này chưa được triển khai trong thực tế. Năm 1905 Alfred Zehden ở Frankfurt-am-Main đã mô tả động cơ điện tuyến tính trong truyền động tàu thủy, thang máy. Năm 1935 kỹ sư người Đức Hermann Kemper đã xây dựng mô hình động cơ tuyến tính.
Mãi đến năm 1947, Eric Laithwaite, một kỹ sư điện người Anh, đã sử dụng động cơ điện tuyến tính trong hệ thống truyền động máy dệt công nghiệp. Nghiên cứu của Laithwaite đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Công trình này được Viện nghiên cứu Hoàng Gia Anh công nhận vào những năm 60 của thế kỷ XX với tên gọi: Máy điện của tương lai. Cấu tạo và phân loại động cơ tuyến tính Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ quay tròn bất kỳ nào, khi tăng bán kính của động cơ đến vô cùng, sẽ thu được hình ảnh rotor và stator song song với nhau (hình 1.
Trong chuyển động tương đối khi chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra được chuyển động tương đối của thành phần còn lại so với gốc tọa độ. Với quan điểm như vậy động cơ tuyến tính sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận dòng năng lượng điện đi tới (phần sơ cấp), thành phần thứ hai là dòng năng lượng đưa ra dưới dạng cơ năng (phía thứ cấp). Từ quan điểm trên ta có thể thấy với động cơ tuyến tính phần tạo chuyển động thẳng có thể là phần stator hay phần rotor của máy điện quay truyền thống, từ đó tạo ra những động cơ tuyến tính tương ứng. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1.
Nguyên lý chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính Từ nguyên lý cơ bản trên, động cơ tuyến tính được phát triển với cấu tạo khác nhau tương ứng dựa vào mục đích sử dụng. Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu được sử dụng cho hệ thống giao thông vận tải. Hiện nay động cơ tuyến tính được sử dụng để thay thế một hệ thống sử dụng động cơ quay và các thiết bị cơ khí để tạo ra một chuyển động tuyến tính (thẳng) trực tiếp. Theo cấu trúc hình học, động cơ tuyến tính được chia thành 2 loại chính: dạng phẳng và dạng ống.
Theo nguồn kích thích, động cơ tuyến tính có thể chia thành 4 loại chính: Động cơ một chiều tuyến tính, động cơ đồng bộ tuyến tính, động cơ không đồng bộ tuyến tính, động cơ bước tuyến tính. Phân loại động cơ tuyến tính Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể mà động cơ tuyến tính còn được phân loại như sau: 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Động cơ có stator dạng răng lược. Động cơ tuyến tính có stator dạng răng lược - Động cơ cơ stator dạng dài: Chiều dài của phần cung cấp thường lớn hơn nhiều lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần kích thích chính là phần chuyển động. Động cơ tuyến tính có stator dài - Động cơ có stator dạng ngắn: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn (hoặc bằng) phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trường hợp thì phần cung cấp chính là phần chuyển động.
Động cơ tuyến tính có stator ngắn Dựa vào số trục di chuyển, động cơ tuyến tính có hai loại: - Loại 1 trục. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1. Động cơ tuyến tính 1 trục - Loại 2 trục. Động cơ tuyến tính 2 trục Trong số các động cơ tuyến tính ở trên, theo tài liệu [32], lực đẩy của loại động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu là lớn nhất, mặt khác, trong các loại động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu : dạng phẳng đơn, dạng phẳng có kết cấu răng lược và dạng ống thì dạng phẳng đơn dễ chế tạo hơn, giá thành rẻ hơn, do đó đề tài sẽ chọn đối tượng là động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.
Để hiểu rõ hơn về cấu tạo của động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn, bảng 1.1 đưa ra so sánh giữa các phần chuyển động và cố định của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn. So sánh về cấu tạo giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB- KTVC) và động cơ tuyến tính kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC) Loại ĐC ĐB-KTVC ĐCTT ĐB-KTVC 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bộ phận Mạch từ và dây quấn 3 Nam châm vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi Phần chuyển pha trải phẳng, chuyển gắn trên lõi thép có dạng khối trụ tròn động động tịnh tiến (chuyển chuyển động quay quanh một trục. động thẳng) Nam châm vĩnh cửu Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn, gồm nhiều cực từ đặt Phần cố định trong có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha. liên tiếp nhau, cực tính luân phiên nhau.
Nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn. Nguyên lý làm việc tương tự như động cơ 3 pha kích thích vĩnh cửu quay tròn thông thường, nhưng stator và rotor được trải phẳng và thay cho momen là lực điện từ đẩy động chuyển động thẳng. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý làm việc của động cơ tuyến tính ba pha đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn, bảng 1.2 đưa ra so sánh về nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn. So sánh về nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu dạng phẳng đơn.
Loại ĐC ĐB-KTVC ĐCTT ĐB-KTVC Tiêu chí So sánh Từ trường ba pha Dạng từ từ Từ trường ba pha quay tròn chuyển động tịnh tiến trong máy (chuyển động thẳng) 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lực đẩy phần động do tương tác giữa từ Mô men do tương tác giữa từ trường trường ba pha chuyển Tác nhân gây quay tròn stator với từ trường nam châm động tịnh tiến (chuyển chuyển động vĩnh cử phía rotor. động thẳng) với từ trường nam châm vĩnh cửu phía stator. 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ tuyến tính kép (động cơ tuyến tính kiểu chữ U) Hình 1.
Cấu trúc hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U Theo [2], cấu trúc của hệ động cơ tuyến tính kiểu chữ U được mô tả như hình 1, phần tĩnh kiểu chữ U có gắn năm châm vĩnh cửu ở hai bên, ở giữa là lõi thép kép, trên có đặt hai day quấn ba pha giống hệt nhau và độc lập với nhau. Ưu điểm: - Do lực hút điện từ từ hai thanh nam châm vĩnh cửu ở hai bên phần tĩnh lên phần động bàng nhau về trị số, nhưng ngược chiều nhau, nên tổng lực hút điện từ lên phần động bằng không, điều này không có ở động cơ tuyến tính đơn, do đó độ chính xác trong truyền động vị trí của động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U được cải thiện - Do động cơ tuyến tính kép kiểu chữ U gồm hai động cơ tuyến tính đơn ba pha giống hệt nhau có phần động gắn chặt với nhau nên công suất của loại động cơ này lớn hơn cả so với các loại động cơ tuyến tính khác. Nguyên tắc chung điều khiển chung động cơ tuyến tính ba pha kích thích vĩnh cửu Cũng như những phương pháp đã được thực hiện đối với động cơ quay, lúc này phương pháp điều khiển cho ĐCTT vẫn dựa trên hai hướng chính dựa vào nguyên lý điều khiển vector và nguyên lý điều khiển vô hướng. Nguyên lý điều khiển vô hướng Tài liệu [29] đã chỉ ra các phương pháp đại diện cho hướng nghiên cứu sử dụng nguyên lý điều khiển vô hướng: U/f không đổi (với mục đích duy trì từ thông khe hở không đổi giúp tạo ra khả năng sinh mômen mong muốn), điều khiển độ 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trượt,… Tuy nhiên việc tạo ra từ thông khe hở không đổi sẽ gặp khó khăn khi phụ tải thay đổi vì sụt áp trên Stator phụ thuộc vào dòng chảy qua nó [29] và điều này được khắc phục bằng cách điều khiển U/f sao cho từ thông khe hở là hàm của mômen tải.
Các phương pháp dựa trên nguyên lý điều kiển vô hướng có ưu điểm dễ thực hiện nhưng chúng đều gặp khó khăn trong việc nâng cao chất lượng của hệ truyền động (đặc biệt ở vùng tốc độ thấp). Nguyên lý điều khiển vector Nguyên lý điều khiển vector đã được trình bày trong hệ thống tài liệu [7,8,9,10]. Đối với ĐCTT, việc vận dụng nguyên lý này cần dựa trên một hệ thống các vector mô tả một cách tường minh các đại lượng vật lý (dòng điện, điện áp, từ thông,…) được trình bày tài liệu [2]. Các phương pháp điều khiển dựa trên nguyên tắc điều khiển vector có ưu điểm là nâng cao được chất lượng của hệ truyền động so với phương pháp điều khiển vô hướng, do đó đề tài chọn phương pháp điều khiển vector để thực hiện.
Ứng dụng động cơ tuyến tính Hiện nay, tại các nước phát triển, giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực, cụ thể: -Trong công nghiệp sản xuất kính (theo báo điện tử: “Control engineering urope” http://www.9 Hegla GmbH's glass cutting machine uses Bosch Rexroth's IndraDyn L linear motor -Trong giao thông vận tải ( theo báo điện tử : http://www.html) 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.10 Tàu hỏa sử dụng công nghệ động cơ tuyến tính. - X-Y Robot Control Systems (Theo http://www.com/hiwin/products.html#wafer-inspection- machine-with-lmc-linear-motor) Hình 1.