Chương 1. 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. 18 luan an Hình 1.2 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 luan an 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 luan an [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 luan an 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 luan an 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 1.9, các cực từ được tách độc lập với nhau, một nam châm vĩnh cửu được bố trí bên cạnh một nam châm điện [23-27]. Cấu trúc này hạn chế xen kênh. Ngoài ra rotor có cấu tạo rỗng nên giảm đường từ thông cắt nhau qua tâm rotor. 23 luan an Hình 1.9 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 3 Điểm tồn tại của cấu trúc dạng 3 là đường dẫn từ thông bị thu hẹp, vì khi thiết kế độc lập các kênh đã phải bỏ đi vành liên kết nối các cực từ với nhau.
Điều này dễ dẫn đến bão hòa từ khi tăng dòng điện điều khiển vào cuộn dây, hạn chế khả năng chịu tải của rotor.3 Nhận xét chung Ổ từ kiểu lai là một đối tượng phi tuyến khó điều khiển. Vì vậy để đảm bảo ổn định thì về mặt cấu trúc cần phân bố đều các lực tác dụng lên rotor, quan trọng hơn nữa là cấu trúc ổ từ kiểu lai cần thiết kế giảm xen kênh từ thông. Xen kênh từ thông không chỉ tổn thất năng lượng điện cấp vào cuộn dây mà còn gây khó khăn thêm cho điều khiển. Tuy nhiên, khi giảm xen kênh thì cấu trúc ổ từ kiểu lai lại gặp phải vấn đề về đường dẫn từ thông bị thu hẹp.
Đường dẫn từ thông thu hẹp dễ gây bão hòa từ, làm giảm khả năng chịu tải của ổ từ kiểu lai. Vậy cần phát triển một cấu trúc ổ từ kiểu lai mới gồm 4 cực từ độc lập, hạn chế xen kênh mà vẫn vẫn đảm bảo đường dẫn từ thông. Khi đó đối tượng sẽ dễ điều khiển hơn, ổn định cao, tiết kiệm năng lượng và nâng cao khả năng chịu tải. Bên cạnh định hướng phát triển cấu trúc mới của ổ từ chủ động kiểu lai, lựa chọn bộ điều khiển phù hợp cho cấu trúc mới là cần thiết.2 Nguyên cứu về các phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai Đối tượng ổ từ nói chung và ổ từ kiểu lai nói riêng là đối tượng phi tuyến.
Bởi lực từ tỉ lệ thuận với bình phương dòng điện qua cuộn dây nam châm điện và tỉ lệ nghịch với khoảng cách khe hở không khí trong mạch từ khép kín giữa stator và rotor. Vì vậy các phương pháp điều khiển được chọn là điều khiển tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc và điều khiển phi tuyến.