Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu của tác giả Vũ Đình Đạt với đề tài "Nghiên cứu nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai", thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (mã số: 9520216), được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Quang Địch và PGS. Nguyễn Huy Phương (năm 2021).

Ổ đỡ từ là cơ cấu đỡ trục chuyển động không tiếp xúc thông qua lực từ trường, được ứng dụng từ đầu những năm 1970 trong hệ thống định hướng vệ tinh và bộ ổn định con quay hồi chuyển trong không gian nhờ ưu điểm về độ chính xác và tuổi thọ. Trong công nghiệp, ổ từ được triển khai trong máy bơm phân tử tuabin, máy phát điện tăng áp, máy nén tuabin nhằm triệt tiêu rung động cộng hưởng ở dải tốc độ cao; trong trục máy phay và mài tốc độ cao để điều khiển rotor chuyển động theo quỹ đạo gia công chi tiết không đối xứng; cũng như trong máy bơm máu, máy ly tâm, bánh đà tích trữ năng lượng, thiết bị tia X và tuabin khí hàng không.

Ổ từ kiểu lai (Hybrid Magnetic Bearing - HMB) kết hợp nam châm điện và nam châm vĩnh cửu nhằm tận dụng lực nâng tĩnh của nam châm vĩnh cửu để tiết kiệm năng lượng điện cung cấp, đồng thời sử dụng nam châm điện để điều khiển linh hoạt. Tuy nhiên, ổ từ kiểu lai tồn tại hiện tượng xen kênh từ thông giữa các cực và nguy cơ bão hòa từ trong mạch từ dẫn đến tổn thất năng lượng và gây khó khăn cho việc điều khiển. Khi thiết kế tách cực độc lập để giảm xen kênh thì đường dẫn từ thông lại bị thu hẹp, khiến vật liệu từ sớm bão hòa khi dòng điện điều khiển tăng cao, làm suy giảm khả năng chịu tải của rotor. Luận án giải quyết trực tiếp mâu thuẫn kỹ thuật này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung:

  1. Nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đảm bảo giảm ảnh hưởng xen kênh, giảm ảnh hưởng bão hòa từ, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng điều khiển.
  2. Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động ổn định cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc mới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Ổ từ kiểu lai tích hợp nam châm vĩnh cửu và nam châm điện.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế cấu tạo cơ cấu chấp hành, xây dựng mô hình toán học động lực học rotor cứng 4 bậc tự do có xét hiệu ứng con quay hồi chuyển, thiết kế các bộ điều khiển tuyến tính và phi tuyến, chế tạo mô hình thực nghiệm và kiểm chứng thuật toán điều khiển trong các chế độ làm việc tĩnh, quay và chịu tải trọng thay đổi.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại ổ từ thành ba nhóm chính:

  • Ổ từ bị động (Passive Magnetic Bearing - PMB): Cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu và vật liệu sắt từ dạng hút hoặc đẩy (công trình [1-2]). Ổ từ này không tiêu tốn năng lượng điện và không cần mạch điều khiển nhưng có đặc tính độ cứng cố định, khả năng giảm chấn kém, khó giữ ổn định khi tải trọng biến thiên.
  • Ổ từ chủ động (Active Magnetic Bearing - AMB): Gồm nam châm điện, bộ biến đổi công suất và cảm biến khoảng cách (công trình [3-4]). Ổ từ chủ động điều chỉnh lực từ thông qua dòng điện, cho phép thay đổi hệ số cứng và hệ số tắt dần để triệt tiêu rung động và giám sát trạng thái, nhưng tiêu hao công suất điện liên tục.
  • Ổ từ kiểu lai (HMB): Tích hợp nam châm vĩnh cửu để sinh lực nâng cơ sở bù tải tĩnh và nam châm điện để hiệu chỉnh động học (công trình [5-6], [12]).

Về cấu trúc cơ cấu chấp hành ổ từ kiểu lai, các nghiên cứu trước đây được điểm lại theo số lượng cực từ và cách bố trí nam châm:

  • Theo số lượng cực từ: Loại 3 cực (công trình [13-14]) có kết cấu nhỏ gọn, ít bộ khuếch đại nhưng lực nâng phân bố không đối xứng, tính phi tuyến cao và khó tách kênh từ thông; loại 8 cực có lực đối xứng, dễ tách kênh nhưng kết cấu cồng kềnh, tổn hao năng lượng và số bộ khuếch đại tăng; loại 4 cực (công trình [15-17]) dung hòa số lượng kênh công suất và tính đối xứng, đang được phát triển bởi các đơn vị như Synchrony hay Mutecs.
  • Theo cấu trúc bố trí nam châm: Dạng 1 bố trí nam châm vĩnh cửu ở giữa hai nam châm điện đối xứng (công trình [18-21]) có các đường từ thông cắt nhau qua tâm rotor gây khó khăn cho việc điều khiển; Dạng 2 sử dụng vành nam châm vĩnh cửu hình tròn và rotor rỗng (công trình [22]) giúp giảm từ thông cắt qua tâm nhưng vành từ khó chế tạo, chi phí cao và các cực vẫn liên kết qua vành dẫn từ nên còn hiện tượng xen kênh; Dạng 3 tách độc lập các cực từ và sử dụng rotor rỗng (công trình [23-27]) giúp hạn chế xen kênh nhưng đường dẫn từ thông bị thu hẹp do bỏ vành liên kết, dẫn đến bão hòa từ sớm khi dòng điện tăng.

Về phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai:

  • Điều khiển tuyến tính: Điều khiển phi tập trung PD/PID độc lập cho từng đầu rotor (công trình [28-32]) gặp khó khăn khi thông số hai đầu rotor không đồng nhất và có liên kết chéo khi quay; các cải tiến PID phản hồi chéo (công trình [33-35]) và PID bù pha (công trình [36-37]) bị ảnh hưởng bởi độ trễ pha và tăng độ phức tạp; điều khiển tập trung PD tại tâm rotor quy đổi chuyển động hai đầu về tâm (công trình [38]) và hoàn thiện bằng cách xét đến ma trận con quay hồi chuyển (công trình [39-40], mở rộng cho PID trong [41-43]) giúp phân tách chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay; các phương pháp hồi tiếp trạng thái LQG (công trình [44-46]) dễ mất ổn định khi dải tốc độ quay lệch khỏi điểm thiết kế; các phương pháp $H_\infty$ hoặc tổng hợp $\mu$ (công trình [47-53]) phát huy hiệu quả với rotor đàn hồi nhưng với rotor cứng thuần túy không vượt trội hơn phương pháp điều khiển tập trung PD tách kênh (công trình [54]).
  • Điều khiển phi tuyến: Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) được áp dụng cho ổ từ nhờ tính bền vững với tham số thay đổi và nhiễu (công trình [55-61]), tuy nhiên nhược điểm cốt lõi là hiện tượng rung dao động chuyển mạch (chattering) (công trình [62]).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Thiết kế cấu trúc 4 cực từ độc lập có khe phân cách vật liệu phi từ tính kết hợp gông từ ngoài liền mạch để triệt tiêu xen kênh và mở rộng đường dẫn từ thông; xây dựng luật điều khiển tập trung PD tách kênh có xét hiệu ứng con quay hồi chuyển và luật điều khiển trượt SMC sử dụng hàm trơn Sigmoid thay cho hàm dấu Sgn để triệt tiêu hiện tượng rung chattering.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các cơ sở lý thuyết và công cụ phân tích sau:

  • Cơ sở lý thuyết điện từ và động lực học: Định luật mạch từ Kirchhoff, định luật Biot-Savart, lý thuyết lực hút từ trường Maxwell; mô hình động lực học rotor cứng 4 bậc tự do (4-DOF) gồm 2 chuyển động tịnh tiến ($x, y$) và 2 chuyển động quay ($\alpha, \beta$), biểu diễn qua phương trình ma trận khối lượng $M$, ma trận con quay hồi chuyển $G$, ma trận độ cứng dịch chuyển $K_s$ và ma trận độ cứng dòng điện $K_i$.
  • Phương pháp tính toán mạch từ tương đương (Equivalent Magnetic Circuit Method - EMCM): Thiết lập sơ đồ mạch từ thay thế bao gồm sức từ động của nam châm vĩnh cửu $F_{pm}$, sức từ động cuộn dây $NI$, từ trở của nam châm $R_{pm}$, từ trở stator $R_{st}, R_{si}, R_{so}$, từ trở rotor $R_{rt}$ và từ trở khe hở không khí $R_{ag}, R_{ai}, R_{ao}$ phụ thuộc độ dịch chuyển $x$.
  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D (Finite Element Method - FEM): Sử dụng phần mềm ANSYS Maxwell để tính toán phân bố mật độ từ cảm $B$, cường độ từ trường $H$ và lực nâng từ trường. Mô hình thiết lập điều kiện biên Neumann gồm: biên cách điện giữa cuộn dây và gông từ, biên đối xứng tiếp tuyến tại hai mặt cắt góc phần tư rotor ($S_1, S_2$), và biên triệt tiêu từ trường tại 4 mặt ngoài ($Z_{1234}$).
  • Phương pháp thiết kế hệ điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tọa độ tâm rotor thông qua ma trận biến đổi tọa độ hình học $T_{in}$ và ma trận phân bố lực $T_{out}$; thiết kế bộ điều khiển phi tuyến trượt SMC với mặt trượt $s$ kết hợp hàm trơn hóa Sigmoid.
  • Nguồn tư liệu và thông số mô hình: Các thông số vật lý và hình học được thiết lập đồng nhất giữa tính toán giải tích và mô phỏng số.
Thông số mô hình Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài nam châm vĩnh cửu $L_p$ $5 \times 10^{-3}$ m
Chiều dài cạnh khung thép stator 1 $L_{s1}$ $23.5 \times 10^{-3}$ m
Chiều dài cạnh khung thép stator 2 $L_{s2}$ $51 \times 10^{-3}$ m
Chiều rộng khung thép stator $L_{s3}$ $20 \times 10^{-3}$ m
Chiều dài rotor $L_r$ $62 \times 10^{-3}$ m
Bán kính rotor $R$ $16 \times 10^{-3}$ m
Khe hở không khí danh định $A_g$ ($x_0$) $1 \times 10^{-3}$ m
Tiết diện mặt cắt khe hở không khí $A$ $300 \times 10^{-6}$ m²
Số vòng dây cuộn điều khiển $N$ 200 vòng
Dải dòng điện điều khiển $i$ $0 - 10$ A
Độ từ thẩm tương đối nam châm $\mu_u$ 1,045 —
Độ từ thẩm chân không $\mu_0$ $4\pi \times 10^{-7}$ H/m
Vật liệu nam châm vĩnh cửu NdFe30 — —
Vật liệu gông thép dẫn từ Steel-1008 — —
Vật liệu tấm phân cách và lõi rotor Hợp kim nhôm — —

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm, nguyên lý hoạt động và phân loại ổ từ (PMB, AMB, HMB). Phân tích cấu trúc 3 cực, 4 cực và 8 cực chỉ ra rằng cấu trúc 4 cực là lựa chọn phù hợp để dung hòa giữa tính đối xứng lực và số lượng kênh khuếch đại công suất. Khảo sát 3 dạng cấu trúc bố trí nam châm vĩnh cửu và cuộn dây đã công bố cho thấy:

  • Cấu trúc Dạng 1 và Dạng 2 tồn tại hiện tượng từ thông cắt qua tâm rotor hoặc xen kênh giữa các cực qua vành dẫn từ.
  • Cấu trúc Dạng 3 tách rời các cực để triệt tiêu xen kênh nhưng làm giảm tiết diện dẫn từ, gây bão hòa từ khi dòng điện tăng cao.

Chương này cũng tổng thuật các phương pháp điều khiển tuyến tính (PD/PID phi tập trung, PID phản hồi chéo, PD tập trung tại tâm có bù hiệu ứng con quay hồi chuyển, LQG, $H_\infty$) và phi tuyến (SMC), qua đó xác định định hướng nghiên cứu: thiết kế cấu trúc 4 cực độc lập mới giải quyết triệt để hiện tượng bão hòa từ, và lựa chọn phương pháp điều khiển phản hồi tập trung PD tại tâm kết hợp điều khiển trượt SMC cải tiến.

Chương 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC MỚI Ổ TỪ KIỂU LAI

Chương 2 tiến hành phân tích định lượng 3 cấu trúc ổ từ kiểu lai:

  1. Ổ từ kiểu lai không có khe hở phụ: Mô phỏng FEM bằng ANSYS chỉ ra rằng ở dải dòng điện thấp ($0 - 6.2\text{ A}$), cực từ lai sinh ra lực nâng lớn hơn so với cực từ chỉ có cuộn dây điện. Tuy nhiên, khi dòng điện vượt ngưỡng $i = 6.2\text{ A}$, mật độ từ cảm tại vị trí nam châm đạt $B = 0.3158\text{ T}$. Do độ từ thẩm tương đối của nam châm NdFe30 cố định ($\mu_u = 1.045$) trong khi độ từ thẩm của thép Steel-1008 tăng lên, từ trở của nam châm trở nên lớn hơn từ trở của thép, biến vị trí nam châm thành vật cản từ thông của cuộn dây nam châm điện, dẫn đến lực từ tổng hợp bị suy giảm so với cực từ chỉ dùng cuộn dây thuần túy.

  2. Ổ từ kiểu lai khe hở phụ (khe hở $1\text{ mm}$): Mô hình tạo thêm đường dẫn từ cho cuộn dây điện. Kết quả tính toán EMCM và mô phỏng FEM có độ tương thích cao (sai lệch $1.1%$ tại $i = 0\text{ A}$ và $2%$ tại $i = 10\text{ A}$). Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ hai hạn chế: ở dải dòng điện $0 - 0.8\text{ A}$, lực nâng bị suy giảm do từ thông nam châm vĩnh cửu móc vòng rò qua khe hở phụ; ở dải $8 - 10\text{ A}$, độ dốc tăng lực bị giảm do đường dẫn từ thông vẫn chưa đủ rộng.

  3. Ổ từ kiểu lai khe phân cách (cấu trúc đề xuất): Cấu tạo gồm 4 cực từ độc lập, 4 nam châm vĩnh cửu đặt ở phần giữa gông từ, 12 cuộn dây điều khiển ghép thành 4 cặp độc lập. Vị trí nam châm được cách ly với phần gông ngoài bằng 2 tấm vật liệu phi từ tính dày $2.5\text{ mm}$ (gấp 2.5 lần khe hở phụ $1\text{ mm}$) để ngăn từ thông tản móc vòng. Phần gông ngoài bằng thép được làm liền mạch để đảm bảo đường dẫn từ thông không bị nghẽn khi dòng điện tăng cao. Khung stator và lõi rotor chế tạo bằng hợp kim nhôm phi từ tính để triệt tiêu hoàn toàn sự xen kênh giữa các cực và ngăn từ thông cắt qua tâm rotor.

Phương pháp EMCM thiết lập hệ phương trình lực từ cho cực trên ($F_x^+$) và cực dưới ($F_x^-$):

  • Từ trở nhánh giữa và nhánh ngoài: $$R_{xi}^+ = R_{ci} + \frac{2(x_0 - x)}{\mu_0 k_i A}, \quad R_{ci} = R_{pm} + 2R_{si} + R_{rt}$$ $$R_{xo}^+ = R_{co} + \frac{2(x_0 - x)}{\mu_0 k_o A}, \quad R_{co} = 2R_{so} + R_{rt}$$
  • Từ thông qua các nhánh: $$\Phi_{xi}^+ = \frac{F_{pm} + N(i_{0x} + i_x)}{R_{ci} + \frac{2(x_0 - x)}{\mu_0 k_i A}}, \quad \Phi_{xo}^+ = \frac{N(i_{0x} + i_x)}{R_{co} + \frac{2(x_0 - x)}{\mu_0 k_o A}}$$
  • Lực nâng tổng hợp theo trục $x$: $$F_x = F_x^+ - F_x^- = \left[ \frac{(\Phi_{xi}^+)^2}{\mu_0 k_i A} + \frac{2(\Phi_{xo}^+)^2}{\mu_0 k_o A} \right] - \left[ \frac{(\Phi_{xi}^-)^2}{\mu_0 k_i A} + \frac{2(\Phi_{xo}^-)^2}{\mu_0 k_o A} \right]$$

Kết quả mô phỏng FEM 3D khẳng định ổ từ kiểu lai khe phân cách vượt trội hơn cả ổ từ không có khe hở phụ và ổ từ khe hở phụ về độ lớn lực từ, tính tuyến tính và khả năng chịu tải trên toàn dải dòng điện $0 - 10\text{ A}$.

Chương 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO Ổ TỪ KIỂU LAI KHE PHÂN CÁCH

Chương 3 xây dựng mô hình toán học động lực học rotor cứng 4 bậc tự do: $$M \ddot{q} + G \dot{q} = B f = K_i i + K_s q$$ Trong đó vector tọa độ tâm $q = [x, y, \alpha, \beta]^T$; vector lực $f = [F_{ax}, F_{ay}, F_{bx}, F_{by}]^T$; ma trận quán tính $M = \text{diag}(m, m, I_x, I_y)$; $G$ là ma trận con quay hồi chuyển chứa vận tốc góc quay $\Omega$.

Thiết kế hai hệ điều khiển trên MATLAB/Simulink:

  1. Hệ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD: Chuyển đổi chuyển vị từ vị trí cảm biến $q_s$ về tâm rotor $q$ qua ma trận $T_{in}$, tính toán lực điều khiển với các hệ số tịnh tiến ($P_{pa}, D_{pa}$) và hệ số quay ($P_{co}, D_{co}$), sau đó phân bố tín hiệu dòng điện điều khiển ra hai đầu ổ từ ($HMB\text{-}A, HMB\text{-}B$) thông qua ma trận phân bố lực $T_{out}$. Khảo sát phân bố tập hợp trị riêng và đáp ứng quá độ ở các tốc độ quay $\Omega = 0$, $\Omega = 6000\text{ vòng/phút}$, $\Omega = 10500\text{ vòng/phút}$ và $\Omega = 11400\text{ vòng/phút}$ chứng minh hệ thống triệt tiêu liên kết chéo và giữ ổn định tốt.
  2. Hệ điều khiển phi tuyến trượt (SMC): Thiết lập mặt trượt $s = [s_1, s_2, s_3, s_4]^T$ dựa trên sai lệch vị trí $e$ và đạo hàm sai lệch $\dot{e}$. Để loại bỏ hiện tượng rung (chattering), tác giả thay thế hàm dấu $\text{sgn}(s)$ bằng hàm trơn $\text{Sigmoid}(s)$. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán SMC cải tiến triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung chattering, bám vị trí chính xác và duy trì tính bền vững khi rotor mang thêm tải trọng phụ $m_n$ cũng như khi chịu nhiễu lực $D$.

Chương 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chương 4 trình bày quá trình chế tạo phần cứng và thử nghiệm thực tế:

  • Cơ cấu chấp hành: Chế tạo hoàn chỉnh stator 4 cực khe phân cách bằng thép dẫn từ và vật liệu cách từ nhôm, cuộn dây quấn chính xác, rotor hình trụ có vành thép dẫn từ bọc ngoài lõi nhôm.
  • Phần cứng điều khiển: 4 bộ biến đổi công suất mạch cầu H điều khiển PWM tích hợp mạch vòng kín dòng điện PI; 4 kênh cảm biến khoảng cách dòng xoáy có độ nhạy cao đo độ dịch chuyển $x_{as}, y_{as}, x_{bs}, y_{bs}$; khối xử lý trung tâm thực thi thuật toán điều khiển thời gian thực.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Chế độ tĩnh: Khởi động nâng rotor từ vị trí rơi tự do lên vị trí cân bằng trung tâm ($x = 0, y = 0$) nhanh chóng, không có vọt lố lớn.
    • Chế độ quay: Rotor quay ổn định trong dải tốc độ từ $0$ đến $7000\text{ vòng/phút}$, quỹ đạo tâm rotor nằm trong giới hạn khe hở an toàn, không xuất hiện hiện tượng mất ổn định do lực con quay hồi chuyển.
    • Chế độ thay đổi tải trọng và chịu nhiễu lực: Khi treo thêm tải trọng hoặc tác động lực nhiễu đột ngột vào trục quay, hệ thống điều khiển phản hồi nhanh, đưa rotor trở lại vị trí cân bằng danh định.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án bao gồm:

  1. Nghiên cứu và phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới (ổ từ kiểu lai khe phân cách): Sử dụng tấm phân cách phi từ tính dày $2.5\text{ mm}$ kết hợp gông ngoài liền mạch, khung stator và lõi rotor bằng nhôm phi từ tính. Cấu trúc thỏa mãn đồng thời các tiêu chí: không xen kênh từ thông, giảm từ trường tản rò, mở rộng đường dẫn từ thông tránh bão hòa từ, tiết kiệm điện năng tiêu thụ và nâng cao khả năng chịu tải.
  2. Xây dựng mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh cho ổ từ kiểu lai khe phân cách: Mô tả chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa lực từ, dòng điện và khe hở không khí; tích hợp mô hình động lực học rotor cứng 4 bậc tự do có tính đến vận tốc góc và hiệu ứng con quay hồi chuyển.
  3. Thiết kế các giải pháp điều khiển phù hợp:
    • Hệ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tâm rotor, phân tách độc lập kênh chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
    • Hệ điều khiển phi tuyến trượt (SMC) cải tiến bằng cách thay thế hàm dấu $\text{sgn}(s)$ bằng hàm $\text{Sigmoid}(s)$, loại bỏ hiện tượng rung chattering trong khi vẫn đảm bảo tính bền vững trước nhiễu và biến thiên tải trọng.
  4. Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai 4 bậc tự do: Hiện thực hóa thuật toán điều khiển PD trên phần cứng thực tế, kiểm chứng hệ thống làm việc ổn định ở các dải tốc độ đến $7000\text{ vòng/phút}$, không bị ảnh hưởng xen kênh chuyển động và chống chịu tốt với xung lực tác động từ bên ngoài.

Kiến nghị kỹ thuật từ luận án: Áp dụng kết cấu cực từ khe phân cách cho các hệ thống đỡ trục máy công cụ tốc độ cao và máy nén khí công nghiệp để giảm tổn hao nhiệt trên cuộn dây và tăng độ an toàn vận hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án xác định các giới hạn và định hướng phát triển như sau:

  • Hạn chế: Luận án mới tập trung nghiên cứu đối tượng rotor cứng 4 bậc tự do ở phương hướng tâm (radial), chưa khảo sát biến dạng đàn hồi của trục ở dải tốc độ siêu cao; thực nghiệm trên mô hình vật lý dừng lại ở mức tốc độ $7000\text{ vòng/phút}$; thuật toán điều khiển trượt SMC mới được kiểm chứng qua mô phỏng, chưa thực thi đầy đủ trên phần cứng thực nghiệm; chưa tích hợp cơ cấu ổ từ chịu lực dọc trục (axial).
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng mô hình toán học và thuật toán điều khiển cho hệ thống rotor đàn hồi làm việc ở dải tốc độ trên $10000 - 11400\text{ vòng/phút}$; hoàn thiện phần cứng DSP tốc độ cao để thực thi thuật toán điều khiển phi tuyến trượt (SMC) trong thực nghiệm; nghiên cứu tích hợp đồng thời ổ từ hướng tâm và ổ từ dọc trục trên cùng một kết cấu cơ khí nhỏ gọn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên các ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật điện: Tham khảo quy trình kết hợp giữa phương pháp giải tích mạch từ tương đương (EMCM), mô phỏng trường phần tử hữu hạn 3D (ANSYS FEM), xây dựng mô hình toán học phân tách chuyển động tịnh tiến - quay và kỹ thuật trơn hóa mặt trượt SMC bằng hàm Sigmoid.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện tử và truyền động máy quay tốc độ cao: Tham khảo thiết kế kích thước cực từ khe phân cách, lựa chọn vật liệu phi từ tính (nhôm, tấm cách ly), thiết kế mạch công suất cầu H điều khiển PWM dòng điện và bố trí cảm biến đo dịch chuyển không tiếp xúc.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Mục 2.2 và 2.3: Toàn bộ quy trình thiết lập công thức toán học EMCM tính toán từ trở và lực nâng cho cực từ lai.
  • Mục 3.2 và 3.3: Phương pháp ma trận chuyển đổi tọa độ tập trung và thuật toán thiết kế bộ điều khiển trượt triệt tiêu chattering.
  • Mục 4.2 và 4.3: Bản vẽ kết cấu cơ khí stator/rotor và sơ đồ nguyên lý mạch công suất cầu H.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cấu trúc ổ từ kiểu lai không có khe hở phụ lại bị suy giảm lực nâng khi dòng điện điều khiển vượt quá $6.2\text{ A}$? Ở dải dòng điện $i > 6.2\text{ A}$, mật độ từ cảm tại vị trí nam châm vĩnh cửu đạt giá trị $B = 0.3158\text{ T}$. Lúc này, độ từ thẩm của nam châm NdFe30 giữ nguyên ($\mu_u = 1.045$) trong khi độ từ thẩm của thép Steel-1008 tăng cao, khiến từ trở của nam châm lớn hơn từ trở của thép. Vị trí gắn nam châm trở thành điểm cản trở từ thông của cuộn dây nam châm điện đi qua, dẫn đến hiện tượng bão hòa từ sớm và làm suy giảm lực từ tổng hợp so với trường hợp chỉ sử dụng cuộn dây điện thuần túy.

2. Cấu trúc ổ từ kiểu lai khe phân cách giải quyết nhược điểm của cấu trúc khe hở phụ bằng cách nào? Cấu trúc khe phân cách tăng bề dày lớp cách ly phi từ tính lên $2.5\text{ mm}$ (gấp 2.5 lần khe hở phụ $1\text{ mm}$) để triệt tiêu từ thông rò móc vòng của nam châm vĩnh cửu ở dải dòng điện thấp ($0 - 0.8\text{ A}$). Đồng thời, phần gông thép bên ngoài được giữ liền mạch để mở rộng đường dẫn từ thông cho cuộn dây khi dòng điện tăng cao ($8 - 10\text{ A}$), giúp lực nâng tăng tuyến tính và không bị suy giảm độ dốc.

3. Khung stator và lõi rotor của ổ từ kiểu lai khe phân cách được làm bằng vật liệu gì và nhằm mục đích gì? Khung stator được làm bằng hợp kim nhôm phi từ tính để ngăn chặn từ thông xen kênh giữa các cực từ liền kề. Lõi rotor được làm bằng nhôm phi từ tính bọc bên ngoài bởi vành thép dẫn từ nhằm ngăn các đường từ thông từ các cực cắt nhau qua tâm rotor, giúp các kênh điều khiển hoạt động độc lập.

4. Bộ điều khiển trượt (SMC) trong luận án được cải tiến như thế nào để loại bỏ hiện tượng rung (chattering)? Tác giả thay thế hàm dấu gián đoạn $\text{sgn}(s)$ (nguyên nhân gây ra hiện tượng dao động đóng cắt tần số cao quanh mặt trượt) bằng hàm phi tuyến liên tục $\text{Sigmoid}(s)$. Hàm này giúp tín hiệu điều khiển chuyển mạch trơn tru quanh lân cận mặt trượt $s = 0$, triệt tiêu hiện tượng rung chattering mà vẫn duy trì tính bền vững trước nhiễu lực $D$ và sự thay đổi tải trọng $m_n$.

5. Kết quả thực nghiệm của hệ thống ổ từ kiểu lai khe phân cách đã đạt được những chỉ tiêu kỹ thuật nào? Hệ thống thực nghiệm 4 bậc tự do đã thực thi thành công thuật toán điều khiển PD: nâng và ổn định rotor tại vị trí cân bằng khi khởi động tĩnh; vận hành ổn định trong dải tốc độ quay từ $0$ đến $7000\text{ vòng/phút}$ mà không bị mất cân bằng do hiệu ứng con quay hồi chuyển; nhanh chóng xác lập lại vị trí trung tâm khi thay đổi tải trọng hoặc khi chịu tác động của xung lực nhiễu bên ngoài.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Đình Đạt đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao chất lượng ổ từ kiểu lai thông qua việc đề xuất cấu trúc mới "ổ từ kiểu lai khe phân cách" 4 cực độc lập, khắc phục triệt để hiện tượng xen kênh từ thông và bão hòa từ sớm. Công trình đã xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết đồng bộ từ tính toán mạch từ tương đương, mô phỏng trường phần tử hữu hạn 3D, thiết lập mô hình động lực học rotor cứng 4 bậc tự do có xét hiệu ứng con quay hồi chuyển, đến thiết kế các thuật toán điều khiển PD tập trung và điều khiển trượt SMC triệt tiêu chattering. Các kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng đã được kiểm chứng tin cậy thông qua hệ thống thực nghiệm phần cứng với dải tốc độ quay đến $7000\text{ vòng/phút}$, tạo tiền đề khoa học và kỹ thuật cho việc ứng dụng ổ từ kiểu lai trong các hệ thống máy quay công nghiệp tốc độ cao.