CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN VÈ Ô TỪ Thông thường một hệ ổ từ bao gồm hai ổ từ ngang trục đặt ở hai đầu trục mục đích để nâng rotor như Hình 1.1, Hai ổ từ này thường tạo ra những lực từ lớn để nâng và giữ rotor theo hướng ngang trục và một ổ từ dọc trục mục đích giữ rotor ở vị trí nào đó theo hướng dọc trục, thường ở vị trí chính giữa hai nam châm điện của ổ từ dọc trục. Trong nghiên cứu của luận án này không nghiên cứu hai ổ từ ngang trục và coi bai ổ từ ngang trục đã được điều khiển để giữ cho rotor theo hướng ngang trục và chỉ tập trung nghiên cứu ổ từ dọc trục. Ổ từ ngang trục Nam châm điện Hình ỉ. ỉ: cấu trúc hệ ể từ dọc trục 1.
Khái quát về ổ từ cấu trúc nguyên khối (ổ từ dọc trục): - Định nghĩa: ô từ dọc trục là một ổ chặn có nhiệm vụ điều khiển chuyển động của trục (rotor + đĩa quay) theo hướng dọc trục. Ổ từ dọc trục thông thường để giữ cho trục không dịch chuyển theo hướng dọc trục, thường đứng yên tại vị trí chính giữa 2 nam châm điện. - Phân loại: ô từ dọc trục có nhiều loại khác nhau. + Phân loại theo hình dạng: Thông thường có ổ từ dọc trục hình trụ, ổ từ dọc trục hình E và ổ từ dọc trục hình c.
ô từ dọc trục hình trụ là ổ từ mà stator (nam châm điện) có dạng hình trụ như Hình 1.1, ổ từ hình chữ c là ổ từ có stator có hình dạng hình chữ c như Hình 1.2, tưong tự như vậy ổ từ hình chữ E là ổ từ mà stator có dạng hình chữ E như Hình 1. Đối với rotor thì vẫn có hình dạng chung là dạng đĩa hình trụ. Ngoài ra còn có dạng ổ từ dạng hình nón, đây là dạng ổ từ mà ổ từ dọc trục và ngang trục được tích thành một ổ từ để giảm số lượng ổ từ (giảm ổ từ dọc trục) được thể hiện như Hình 1.2: o từ hỉnh c Hình 1.4: Cực từ hình E + Phân loại theo cấu trúc: Nếu phân loại theo cấu trúc gồm có ổ từ có cấu trúc nguyên khối và ổ từ có cấu trúc xếp lớp (bao gồm các lá thép kỳ thuật điện ghép lại) nhằm mục đích 13 làm giảm tồn hao dòng xoáy trên cơ cấu chấp hành khi có từ trường biến thiên theo thời gian trong các cơ cấu chấp hành.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của O từ cấu trúc nguyên khối 1.1 Cấu tạo O từ cấu trúc nguyên khối (ổ từ dọc trục): Cấu tạo của ồ từ dọc trục cũng như ồ từ chủ động nói chung bao gồm hai bộ phận chính là stator (nam châm điện) và rotor.5: Sơ đồ các thành phần của ể từ dọc trục a. Stator Bao gồm hai nam châm điện (cực từ) 2 bên rotor, mỗi cực từ được quấn dây và cấp điện riêng, bao gồm hai thành phần: Thành phần tĩnh và thành phần biến thiên theo thời gian thường có giá trị nhỏ so với thành phần tĩnh có tác dụng sinh lực từ giúp cân bang rotor.
Rotor Rotor của ổ từ dọc trục có kết cấu dạng như đĩa quay, đóng vai trò như là vật cần được giữ đứng yên tại ví trí giữa 2 cực từ theo hướng dọc trục, không có cuộn dây rotor. Khi nghiên cứu hệ điều khiển cho ổ từ dọc trục, động lực học của rotor là một phần quan trọng, rotor thông thường được cấu trúc nguyên khối và việc mô hình toán học lâu nay các tác giả xem như là cấu trúc xếp lớp (bỏ qua dòng xoáy) để xây dựng mô hình toán học, do đó việc tìm ra mô hình toán học chính xác của rotor ảnh hưởng đến mô hình toán học của ồ từ dọc trục. Khi có sự ảnh hưởng của nhiễu tải, rotor có thể bị dao động, quay theo những trục không mong muốn gây nhiễu loạn quỹ đạo, ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống. Trong thực tế, rotor thường được chế tạo ở dạng đĩa đối xứng, cân bằng ở trọng tâm (trục quay).
Khuếch đại công suất 14 Hình ỉ. 6: Sơ nguyên lý cơ bản của mạch khuếch đại Bộ khuếch đại công suất là một bộ phận quan trọng của ổ từ chủ chủ động nói chung, ổ từ dọc trục nói riêng, có nhiệm vụ cung cấp nguốn nuôi cho các cuộn dây cực từ để tạo dòng điện sinh lực hút nhằm duy trì hoạt động và ổn định hệ thống. Vói nhũng nhiệm vụ đó, yêu cầu cho bộ khuếch đại công suất là phải tạo được nguồn nuôi ổn định, đáp ứng kịp thời với yêu cầu của thuật toán điều khiển, đồng thời cung cấp đủ công suất để hệ thống hoạt động. Ngoài ra còn có cảm biến khoảng cách, thường dùng cảm biến dòng xoáy.2 Cấu tạo 0 từ cấu trúc nguyên khối (ổ tù dọc trục): Để tìm hiểu nguyên lí hoạt động của ổ đỡ từ dọc trục, ta xuất phát từ một cấu trúc điều khiển như Hình 1.7, đây là loại điếu khiển nâng theo một hướng với một bậc tự do (Degree of Freedom - DOF).
Mô hình này là một sự đon giản hóa đáng kể so vói một ổ đỡ từ trong thực tế, tuy nhiên nó hỗ trợ ta trong việc phân tích và xây dựng một mô hình toán học cho một hệ thống nhiều bậc tự do một cách dễ dàng hon.7 mô tả cấu trúc cơ bản của một vòng điều khiển kín cho ổ từ dọc trục với các thành phần cần thiết để cấu thành nên một hệ thống ổ từ chủ động theo một phương. Các phần tử cơ bản trong hệ thống AMB. 15 Hệ thống trên Hình 1.7 gồm: một rotor được treo tự do tại một khoảng cách mong muốn XQ so với cơ cấu điện từ, một cảm biến vị trí đo độ sai lệch X giữa vị trí mong muốn xo với vị trí thực của rotor X và đưa tín hiệu này đến bộ điều khiển. Nhiệm vụ của bộ điều khiển là cung cấp một tín hiệu điều khiển thích hợp nhằm ổn định hệ thống, duy trì vị trí của rotor tại vị trí mong muốn, tức là làm thỏa mãn sự cân bằng giữa lực hấp dẫn fm được tạo ra với trọng lực rotor mg tại điểm làm việc và các ngoại lực tác động theo phương thẳng đứng.
Bộ điều khiển sẽ xử lí thông tin thu được và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ khuếch đại công suất để tạo thành dòng điện đưa đến cuộn dây của cơ cấu điện từ, dòng điện này sẽ tạo ra được lực điện từ fdt giúp cân bằng lực tác động lên rotor theo phương trọng trường, về cơ bản, luật điều khiển sẽ hoạt động theo cách thức: khi rotor dịch chuyển xuống so với vị trí mong muốn, bộ điều khiển sẽ đưa ra một tín hiệu làm tăng dòng điện điều khiển, từ đó gia tăng độ lớn lực điện từ để kéo rotor trở lại vị trí danh định của nó và ngược lại. 16 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA Ổ TỪ CẤU TRÚC NGUYÊN KHỐI 2. Mô hình toán học ♦ 0 từ dọc ♦ trục ♦ hình trụ: ♦ Hình 2. Phân chia cấu trúc của ổ từ hình trụ Dựa vào cấu trúc của ổ từ hình trụ ta chia ổ từ hình trụ thành 6 phần, trong đó phần tử 1 và 3 là phần tử không khí, phần tử 2, 4, 5 và 6 là phần tử sắt.1) 2 (a,r) Từ trở tĩnh: g (2.2 J 00 y \2 m=0 Zo m!(m + l) Từ trở hiệu dụng của phần tử thứ 2 là: In 21 a A2 = (2.3) 2jụioụr Từ trở tĩnh: 17 r In Y jRỊ - (2.4) 27ĩdxụoụr Từ trở hiệu dụng của phần tử thứ 3 là: (2.k^i+km) Y (w) = - r + log— k (w) +------- y ------ 2—----- —------- 1V 7 ự 2) 1V 7 w 2S m\(m + \)\ w là một số phức, -JI < Arg(w) < 7Ĩ^ với y là hang so Euler.
+ — và k = 0 ĩtt r\ o 2 3 m Từ trở tĩnh: Y = lim Ã.8) 2^^/í, Iỵ (ar3) Kị (ar2) - Kỵ (ar3) Iỵ [ar2) Từ trở tĩnh: Rị = limÃ4 = - ------- Ậ----- - (2.9) 2%/zr(r3 -r2 Từ trở hiệu dụng của phần tử thứ 5 là: O n = ________ a (2.10) 27ĩụoụr tanhjyjj Từ trở tĩnh: = lim^5 = (2.11) s^Q 27id-inonr Từ trở hiệu dụng của phần tử thứ 6 là: 18 d2 alo(ar^ (2.12) Iỵ(arỵ) Từ trở tĩnh: ^=lim^=-A- (2.1 Xấp xỉ Ad-hoc Approximations Phép gần đúng đặc biệt cho từ trở hiệu quả của mỗi phần tử có dạng: Rf ỉ‘ ỉ = R°+R ỉ (2.14) Trong đó: R° là từ trỏ tĩnh của phần tử thứ i được xác định như (2. R° là từ trở phần biến thiên của phần tử thứ ị, được xác định như sau: Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 1: r; (2.15) 2^/| V ư Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 2: .ư, Từ trỏ phần biến thiên của phần tử thứ 3: (2.17) 2^2 V Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 4: (2.18) 2^r2 \ Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 5: Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 6: J2 (2.2 Xấp xỉ Taylor và Padé 19 xấp xỉ Taylor và Padé được tính theo công thức sau: 1 d RẨv) 2 RĨ = R° + ) -v (2.21) 2 dv2 Trong đó: là xấp xỉ Taylor của Rị, R° là từ trỏ tĩnh của phần tử thứ ỉ được xác định như (2.22) ỉ - 2,4,5,6 Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 1: d2RẢ (2.23) 5=0 Từ trỏ phần biến thiên của phần tử thứ 2: ơđl In — d2R2 T (2.24) 3/r Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 3: A -|4i___ _ rr3 3 4 , />22 11 4 A r- 2r3 logy-^r3 + 2r2r3 d2R3 ' r2 2 2 ) (2.25) ựỉ-ĩị) Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 4: o 4i___ _ ?3 3 4 />2 2 1 4 2r3 log^--^r3 +2r2r3 -^r2' <d% ơd7 r2 2 2 (2.26) dựĩ)2 2tĩ 5=0 Từ trỏ phần biến thiên của phần tử thứ 5: ơd3 In — d% ri (2.27) d[4s} 37T 5=0 Từ trở phần biến thiên của phần tử thứ 6: d% ơd2 (2.2 Từ trở hiệu dụng gân đúng của các phân tử Hình 2. Hình ảnh các thành phần của ể từ hình trụ. Một cắt ngang của ổ từ hình trụ.