CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1 Cấ u ta ̣o, nguyên lý làm viêc̣ của đô ̣ng cơ tuyế n 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.
1 Nguyên lý chuyể n đổ i từ đô ̣ng cơ quay sang đô ̣ng cơ tuyế n tiń h 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. Việc lựa chọn động cơ tuyến tính phụ thuộc vào thuộc tính và nguyên tắc hoạt động của chúng. 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 trực tiếp.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Các da ̣ng cấ u ta ̣o của đô ̣ng cơ tuyế n tính Theo cấu trúc hình ho ̣c, đô ̣ng cơ tuyế n tính đươ ̣c chia thành 2 loa ̣i chính: da ̣ng phẳng và dạng ố ng. Theo nguồn kích thích, đô ̣ng cơ tuyế n tiń h có thể chia thành 4 loại chính: Đô ̣ng cơ mô ̣t chiề u tuyến tính, đô ̣ng cơ đồ ng bô ̣ tuyế n tính, đô ̣ng cơ không đồ ng bô ̣ tuyế n tính, động cơ bước tuyến tính. 2 Phân loại động cơ tuyế n tính theo [10] Ngoài ra, thực tế cho thấ y tùy theo những ứng du ̣ng cu ̣ thể mà đô ̣ng cơ tuyế n tính còn đươ ̣c phân loa ̣i như sau: - Động cơ có stator da ̣ng răng lươ ̣c. 3 Động cơ tuyế n tính có stator dạng răng lược - Đô ̣ng cơ cơ stator da ̣ng 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 4 Động cơ tuyế n tính có stator dài - Động cơ có stator da ̣ng ngắ n: 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. 5 Động cơ tuyế n tính có stator ngắ n Dựa vào số tru ̣c di chuyể n, động cơ tuyế n tính có hai loa ̣i: - Loại 1 tru ̣c. 6 Động cơ tuyế n tính 1 trục - Loa ̣i 2 tru ̣c.
7 Động cơ tuyế n tính 2 trục LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Để kết thúc phần này, theo tài liệu [11] ta có bảng so sánh tổng thể lực đẩy sinh ra của các loại động cơ tuyến tính có thể sinh ra. Bảng so sánh lư ̣c đẩ y sinh ra của các loa ̣i đô ̣ng cơ tuyế n tính Loại động cơ Lực đẩ y sinh ra Động cơ tuyến tính loại không đồng bộ 1 - 2 N/cm2 Động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu (kiểu răng Lên đến 6 N/cm2 lược) Động cơ tuyến tính đồng bộ kích thích vĩnh cửu (dạng Lên đến 3 N/cm2 phẳng) Động cơ tuyến tính từ trở 1,5 N/cm2 Động cơ tuyến tính thông lượng ngang 3 N/cm2 Xét về khả năng tạo lực đẩy thì động cơ tuyến tính làm việc theo nguyên lý đồng bộ kích thích vĩnh cửu có khả năng tạo lực đẩy lớn hơn động cơ tuyến tính làm việc với nguyên lý không đồng bộ. Do vậy động cơ tuyến tính dạng đồng bộ kích thích vĩnh cửu thường được sử dụng nhiều hơn. Luâ ̣n văn tâ ̣p trung nghiên cứu đô ̣ng cơ tuyế n tin ́ h kiể u kích thích viñ h cửu ba pha.2 Nguyên lý làm viêc̣ của đô ̣ng cơ tuyế n tính Xét đô ̣ng cơ tuyế n tính kích thích vĩnh cửu, khi đặt hệ thống điện áp nguồn 3 pha đối xứng vào dây quấn ba pha của động cơ đồng bộ tuyến tính, trong ba pha sẽ có các dòng điện iA, iB, iC.1c) 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Dòng các pha sẽ sinh ra các sức từ động tương ứng có dạng đập mạch: dx (1.2) dt FA Ffmv sin t cos v x (1.3a) v 1,3,5 2 2 FB Ffmv sin t cosv x (1.3b) v 1,3,5 3 3 4 4 FC Ffmv sin t cosv x (1.4) dt Sức từ động tổng ba pha trong khe hở không khí giữa phần cố định và phần chuyển động sẽ là: F(3) FA FB FC Ffmv sin t v x (1.5) v 6 k 1 Ở đây ta chỉ xét sóng cơ bản của từ trường ba pha: 3 F Ffm sin t x (1.
k dq Trongđó: Ffm .7) 2 p W: Số vòng dây của một pha. Kdq : Hệ số dây quấn sóng cơ bản. Từ trường chuyển động tịnh tiến F sẽ tương tác với từ trường nam châm vĩnh cửu FNC , do nam châm vĩnh cửu được đặt ở phần cố định, phản lực sẽ làm phần động (gồm lõi thép và dây quấn) chuyển động tịnh tiến theo chiều ngược với chiều chuyển động của từ trường F với tốc độ chuyển động là: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 8 Chiề u chuyể n động của từ trường và phầ n động Về mă ̣t năng lươ ̣ng đô ̣ng cơ đã biế n đổ i điê ̣n năng thành cơ năng.3 Hiệu ứng đầu cuối (End effect) Như đã phân tích trong các phần trên động cơ tuyến tính có những nét tương đồng so với những động cơ quay tương ứng phát triển nên nó, nhưng trong đó còn những điểm khác biệt do cấu tạo khác biệt của hai loại đô ̣ng cơ quay và động cơ tuyế n tin ́ h.
Một khác biệt cơ bản ở đây chính là hiệu ứng đầu cuối ở động cơ tuyến tính (End effect) mà động cơ quay không có. Hiện tượng đầu cuối trong động cơ tuyến tính có thể được hiểu như sau: đó là sự phân biệt giữa các khu vực đầu và cuối với các điểm nằm giữa về diễn biến điện từ gây ảnh hưởng đến từ thông và lực do động cơ tuyến tính sinh ra (do tính chất mạch từ hở của động cơ tuyến tính). Điều này làm thay đổi quan điểm giả thiết về sức từ động hình sin trong động cơ quay truyền thống. Có ba vấ n đề cần đặc biệt lưu tâm về hiệu ứng đầu cuối: - Thứ 1: Với động cơ tuyến tính dạng không đồng bộ ngoài hiệu ứng đầu cuối (điểm đầu và điểm cuối phần kích thích) còn có sự ảnh hưởng về từ trường ở hai biên.
Còn ở động cơ tuyến tính dạng đồng bộ chỉ chịu tác động của hiệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 ứng đầu cuối. Vì vậy với động cơ tuyến tính dạng không đồng bộ chịu tác động của hiệu ứng đầu cuối mạnh hơn. - Thứ 2: Tại điểm đầu và điểm cuối của phần kích thích từ thông sinh ra bị ảnh hưởng bởi dòng xoáy phía thứ cấp (ĐCTTKĐB) làm ảnh hưởng đến từ trường khe hở không khí phân bố tại điểm đầu và điểm cuối của phần kích thích. Diễn biến này khác nhau phụ thuộc vào tốc độ của động cơ ( độ lớn của dòng phía bên kích thích).
- Thứ 3: Sự xuất hiện hay kết thúc đột ngột của dòng xoáy phía cảm ứng (tương ứng với sự xuất hiện hay kết thúc của dòng phía kích thích). Gây ra phản ứng dọc trục gây ra sự thay đổi tốc độ của động cơ (nhấp nhô về tốc độ). Đây cũng là một điểm rất đáng chú ý trong động cơ tuyến tính. 9 Phân bố từ thông bên trong động cơ tuyế n tính Stator ngắn làm việc theo nguyên lý cảm ứng Hình 1.
10 Hiê ̣u ứng dòng xoáy và từ thông khe hở không khí LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Hiệu ứng đầu cuối là một điểm đặc trưng của động cơ tuyến tính khác so với các loại động cơ khác. Trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính thì hiệu ứng đầu cuối (end effect) phải được quan tâm và giải quyết triệt để. Mục tiêu được đặt ra ở đây là làm rõ tính chất của hiệu ứng đầu cuối xảy ra trong động cơ tuyến tính.2 Khả năng ứng du ̣ng của đô ̣ng cơ tuyế n tính trong thư ̣c tế 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. 11 Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất kính 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) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
12 Ứng dụng trong giao thông vận tải Photo: A Maglev train using linear motor technology. Picture courtesy of US Department of Energy/Argonne National Laboratory - X-Y Robot Control Systems (Theo http://www.com/hiwin/products.html#wafer-inspection- machine-with-lmc-linear-motor) Hình 1. 13 Ứng dụng trong hệ thống điều khiển rô bốt -Trong máy khoan CNC sử dụng động cơ tuyến tính (Theo nguồn tin từ trang báo điện tử: http://www.com/hiwin/products.html) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 14 Ứng dụng trong máy khoan CNC Laser PCB Drilling Machine with LMS47 Linear Motor - Sử dụng trong máy CNC: LX0 5AX 5 Axis Linear Motor CNC Machine (theo trang báo điện tử: https://www.com/watch?v=d7szecnTfRI) Hình 1.
15 Ứng dụng trong máy CNC - Sử dụng trong máy phay CNC: Tarus Linear Motor High Speed 5 Axis Mill(theo trang báo điện tử:https://www.com/watch?v=d7szecnTfRI) Hình 1. 16 Ứng dụng trong máy phay CNC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.