Luận văn thạc sĩ về điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong hệ thống truyền động với ổ đỡ từ hai đầu trục.

• Tác giả: Nguyễn Bá Bắc
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Như Hiển
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Vector Động Cơ Đồng Bộ Từ Thông Dọc Trục Trong Hệ Thống Truyền Động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Khái quát chung
• 1.2. Cấu trúc của luận văn
• 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ
• 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÓ TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ HAI ĐẦU TRỤC
• 4. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU
• 5. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ truyền động điện. Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục (AFPM) có nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng hoạt động ổn định. Việc áp dụng công nghệ điều khiển vector giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao độ tin cậy trong hoạt động. Nghiên cứu này không chỉ mang lại giá trị cho ngành công nghiệp mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của công nghệ xanh.

1.1. Ứng dụng của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong công nghiệp

Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa, sản xuất công nghiệp và giao thông vận tải. Chúng có khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khắc nghiệt và giúp tiết kiệm năng lượng. Việc sử dụng động cơ này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì.

1.2. Lợi ích của việc điều khiển vector trong động cơ đồng bộ

Điều khiển vector cho phép điều chỉnh chính xác tốc độ và mô men của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục. Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm thiểu rung động và tiếng ồn, đồng thời tăng cường khả năng phản hồi nhanh chóng với các thay đổi trong tải. Điều này mang lại lợi ích lớn cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

II. Thách thức trong nghiên cứu động cơ đồng bộ từ thông dọc trục

Mặc dù động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và phát triển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là chi phí sản xuất cao do yêu cầu công nghệ chế tạo phức tạp. Ngoài ra, việc tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục cũng đặt ra nhiều khó khăn trong thiết kế và vận hành. Những thách thức này cần được giải quyết để mở rộng ứng dụng của động cơ trong thực tế.

2.1. Chi phí sản xuất và công nghệ chế tạo

Chi phí sản xuất động cơ đồng bộ từ thông dọc trục thường cao hơn so với các loại động cơ khác. Điều này chủ yếu do yêu cầu về vật liệu chất lượng cao và quy trình chế tạo phức tạp. Việc nghiên cứu các phương pháp chế tạo mới có thể giúp giảm chi phí và nâng cao khả năng cạnh tranh của động cơ này.

2.2. Khó khăn trong việc tích hợp ổ đỡ từ

Tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục là một thách thức lớn. Các ổ đỡ này cần phải đảm bảo khả năng chịu tải và độ ổn định cao trong quá trình hoạt động. Việc thiết kế và thử nghiệm các mô hình ổ đỡ từ hiệu quả là cần thiết để đảm bảo tính khả thi của động cơ trong thực tế.

III. Phương pháp nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ

Phương pháp nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục bao gồm việc xây dựng mô hình toán học và thiết kế hệ thống điều khiển. Mô hình toán học giúp phân tích và dự đoán hành vi của động cơ trong các điều kiện khác nhau. Hệ thống điều khiển được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo độ ổn định trong quá trình hoạt động.

3.1. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ

Mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục bao gồm các phương trình điện áp, từ thông và mô men. Những phương trình này giúp xác định các thông số quan trọng như tốc độ, mô men và hiệu suất của động cơ trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển vector

Hệ thống điều khiển vector được thiết kế để điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ đồng bộ. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến giúp cải thiện khả năng phản hồi và ổn định của động cơ, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc áp dụng công nghệ điều khiển vector đã giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Các ứng dụng thực tiễn bao gồm hệ thống truyền động trong công nghiệp, thiết bị tự động hóa và các phương tiện giao thông hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống truyền động công nghiệp

Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục được sử dụng trong nhiều hệ thống truyền động công nghiệp nhờ vào khả năng hoạt động ổn định và hiệu suất cao. Chúng giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành cho các nhà máy sản xuất.

4.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng cho thấy động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có thể đạt được hiệu suất tối ưu trong các điều kiện khác nhau. Thực nghiệm cũng xác nhận rằng việc áp dụng công nghệ điều khiển vector giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Với những lợi ích vượt trội về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, động cơ này có thể trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa. Triển vọng tương lai của nghiên cứu này là phát triển các công nghệ mới nhằm tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ động cơ

Công nghệ động cơ đồng bộ từ thông dọc trục sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Tương lai của điều khiển vector trong động cơ

Điều khiển vector sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ động cơ. Việc phát triển các thuật toán điều khiển mới và cải tiến hệ thống điều khiển sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển, các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) ngày càng được ứng dụng rộng rãi, thay thế cho động cơ điện một chiều truyền thống. Theo ước tính, các hệ truyền động ĐCXCBP đã phát triển từ những năm 1980 và mang lại lợi ích kinh tế lớn nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp và kích thước nhỏ gọn. Đặc biệt, động cơ đồng bộ ba pha với kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) được đánh giá cao về hiệu suất, độ ổn định tốc độ và hệ số công suất cosφ tốt.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC trong hệ thống truyền động có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục. Đây là một lĩnh vực công nghệ cao, thân thiện với môi trường, có khả năng nâng cao tốc độ quay và ứng dụng trong các môi trường đặc biệt mà vòng bi cơ không thể đáp ứng hoặc chi phí bảo dưỡng cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế mô hình toán học, xây dựng bộ điều khiển vector và đánh giá chất lượng hệ thống cho động cơ AFPM (Axial Flux Permanent Magnet) có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thu nhỏ kích thước, giảm giá thành và nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền động điện, góp phần thúc đẩy ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sạch, thiết bị y tế, quốc phòng và công nghiệp vũ trụ. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn hiện đại với các vật liệu nam châm đất hiếm NdFeB và công nghệ điều khiển tiên tiến, tại các cơ sở nghiên cứu trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết động cơ đồng bộ ba pha: Mô hình toán học nhiều biến số, phi tuyến, bao gồm phương trình điện áp, từ thông, mô men và chuyển động. Động cơ được mô tả theo hệ tọa độ quay đồng bộ hai pha d-q định hướng từ trường rotor, giúp đơn giản hóa phân tích và thiết kế điều khiển.

• Mô hình động cơ AFPM (Axial Flux Permanent Magnet): Động cơ có cấu trúc rotor kép và hai modul stator, sử dụng nam châm vĩnh cửu NdFeB, với đặc điểm từ thông dọc trục và tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục. Mô hình toán học bao gồm các phương trình trạng thái động, mô hình lực đẩy kéo thay thế cho ổ đỡ từ dọc trục.

• Lý thuyết ổ đỡ từ chủ động (Active Magnetic Bearing - AMB): Ổ đỡ từ sử dụng lực điện từ để nâng và giữ trục rotor không tiếp xúc cơ học, giảm ma sát và hao mòn, thích hợp cho tốc độ cao và môi trường khắc nghiệt. Mô hình tích hợp ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ giúp giảm kích thước và chi phí hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: từ thông dọc trục, mô men điện từ, lực đẩy kéo dọc trục, điều khiển vector, mô hình trạng thái động, và ổ đỡ từ chủ động.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mô hình vật lý và toán học của động cơ AFPM có tích hợp ổ đỡ từ, kết hợp với số liệu thực nghiệm và mô phỏng tại phòng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp biến đổi tọa độ d-q để đơn giản hóa mô hình toán học, áp dụng lý thuyết điều khiển vector để thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ. Phân tích lực đẩy kéo dọc trục dựa trên mô hình mạch từ tương đương và tính toán lực điện từ.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khóa học cao học, với các giai đoạn chính gồm: tổng quan và xây dựng mô hình toán học (6 tháng), thiết kế điều khiển vector (6 tháng), mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống (3 tháng), hoàn thiện luận văn và đề xuất (3 tháng).

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình toán học và mô phỏng được xây dựng dựa trên cấu hình động cơ AFPM hai modul stator và một modul rotor kép, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp có yêu cầu cao về tốc độ và độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học động cơ AFPM tích hợp ổ đỡ từ: Luận văn xây dựng thành công mô hình toán học nhiều biến số, phi tuyến, bao gồm phương trình điện áp, từ thông, mô men và chuyển động, mô tả chính xác trạng thái động của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục. Mô hình này cho phép phân tích chi tiết các thành phần dòng điện, từ thông và lực đẩy kéo dọc trục.

2. Thiết kế điều khiển vector hiệu quả: Bộ điều khiển vector được thiết kế để điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ, đảm bảo mô men quay và lực đẩy kéo dọc trục được kiểm soát chính xác. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển đạt được độ ổn định cao, với sai số tốc độ dưới 2% và mô men quay đạt trên 95% giá trị thiết kế.

3. Lực đẩy kéo dọc trục được kiểm soát tốt: Qua mô hình mạch từ tương đương và tính toán lực điện từ, lực đẩy kéo dọc trục tổng hợp được duy trì ổn định quanh vị trí danh định, với sai lệch dưới 5% khi rotor có chuyển dịch dọc trục nhỏ. Điều này chứng minh hiệu quả của việc tích hợp ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ, loại bỏ nhu cầu sử dụng thiết bị chặn cơ khí bổ sung.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả nghiên cứu phù hợp với các công trình quốc tế về động cơ AFPM và ổ đỡ từ chủ động, đồng thời cải tiến về mặt tích hợp và giảm kích thước hệ thống. Hiệu suất và độ tin cậy của động cơ được nâng cao so với các động cơ sử dụng vòng bi cơ truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của mô hình và bộ điều khiển nằm ở việc áp dụng lý thuyết điều khiển vector trên hệ tọa độ d-q định hướng từ trường rotor, giúp tách biệt và điều khiển độc lập các thành phần dòng điện tạo mô men và lực đẩy kéo. Việc tích hợp ổ đỡ từ dọc trục vào cấu trúc động cơ không chỉ giảm kích thước mà còn giảm chi phí bảo dưỡng và tăng tuổi thọ thiết bị.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã mở rộng phạm vi điều khiển cho cả hai modul stator và rotor kép, đồng thời mô phỏng chi tiết lực đẩy kéo dọc trục, điều mà nhiều nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô hình lý thuyết hoặc thí nghiệm đơn giản. Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tính tốc độ, mô men và lực đẩy kéo theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả điều khiển.

Ý nghĩa của nghiên cứu là tạo nền tảng cho việc ứng dụng động cơ AFPM tích hợp ổ đỡ từ trong các hệ thống truyền động công nghiệp, đặc biệt trong các môi trường khắc nghiệt như chân không, nhiệt độ cao hoặc thấp, và các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như robot công nghiệp, máy CNC, và thiết bị y tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển bộ điều khiển nâng cao: Áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại như điều khiển phi tuyến, điều khiển thích nghi hoặc điều khiển dự báo để nâng cao độ ổn định và khả năng chống nhiễu cho hệ thống. Mục tiêu giảm sai số tốc độ xuống dưới 1% trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư điều khiển thực hiện.

2. Thu nhỏ kích thước và tối ưu cấu trúc động cơ: Nghiên cứu sử dụng vật liệu từ tính mới và thiết kế rotor, stator tối ưu để giảm kích thước và trọng lượng động cơ, đồng thời duy trì hoặc nâng cao mật độ công suất. Thời gian thực hiện dự kiến 18 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu và thiết kế cơ khí.

3. Tích hợp cảm biến và hệ thống giám sát thông minh: Lắp đặt hệ thống cảm biến vị trí, dòng điện, nhiệt độ và rung động để giám sát trạng thái hoạt động của động cơ và ổ đỡ từ theo thời gian thực, giúp phát hiện sớm sự cố và tối ưu bảo trì. Đề xuất triển khai trong 6 tháng, do bộ phận kỹ thuật tự động hóa đảm nhiệm.

4. Mở rộng ứng dụng trong các môi trường đặc biệt: Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất động cơ trong các môi trường chân không, nhiệt độ cực đoan hoặc môi trường y sinh học để mở rộng phạm vi ứng dụng. Kế hoạch thực hiện trong 24 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học, điều khiển vector và ổ đỡ từ, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống truyền động điện hiện đại.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển động cơ điện: Tham khảo để áp dụng các phương pháp tích hợp ổ đỡ từ dọc trục vào thiết kế động cơ AFPM, giúp tối ưu hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị truyền động và tự động hóa công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm động cơ điện hiệu suất cao, thân thiện môi trường, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp sạch và công nghệ cao.

4. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để định hướng phát triển công nghệ động cơ điện xanh, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và nâng cao năng lực cạnh tranh quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển vector động cơ đồng bộ từ thông dọc trục là gì?
   Điều khiển vector là phương pháp điều khiển dòng điện trong động cơ theo hai thành phần độc lập (d và q) trên hệ tọa độ quay đồng bộ, giúp điều chỉnh mô men và lực đẩy kéo hiệu quả. Ví dụ, trong luận văn, điều khiển vector giúp kiểm soát chính xác mô men quay và lực đẩy kéo dọc trục.

2. Ổ đỡ từ chủ động có ưu điểm gì so với vòng bi cơ?
   Ổ đỡ từ không tiếp xúc cơ học, giảm ma sát và hao mòn, cho phép vận hành tốc độ cao, làm việc trong môi trường khắc nghiệt như chân không hoặc nhiệt độ cao. Trong thực tế, ổ đỡ từ giúp tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo dưỡng hệ thống truyền động.

3. Tại sao cần tích hợp ổ đỡ từ dọc trục vào động cơ AFPM?
   Việc tích hợp giúp giảm kích thước tổng thể của hệ thống, loại bỏ thiết bị chặn cơ khí bổ sung, đồng thời duy trì lực đẩy kéo dọc trục ổn định, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.

4. Mô hình toán học của động cơ AFPM có phức tạp không?
   Mô hình bao gồm nhiều biến số, phi tuyến và ràng buộc chặt chẽ giữa điện áp, dòng điện, từ thông và tốc độ quay. Tuy nhiên, sử dụng biến đổi tọa độ d-q giúp đơn giản hóa và thuận tiện cho thiết kế điều khiển.

5. Ứng dụng thực tế của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ?
   Động cơ được sử dụng trong các hệ thống truyền động tốc độ cao, robot công nghiệp, máy CNC, thiết bị y tế, bơm khí helium lỏng, và các môi trường yêu cầu độ chính xác và độ bền cao như công nghiệp vũ trụ và quốc phòng.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học nhiều biến số, phi tuyến cho động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ NCVC tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục.
• Thiết kế điều khiển vector hiệu quả, đảm bảo kiểm soát chính xác mô men quay và lực đẩy kéo dọc trục, nâng cao độ ổn định và hiệu suất hệ thống.
• Mô hình lực đẩy kéo dọc trục thay thế cho ổ đỡ từ giúp giảm kích thước và chi phí hệ thống, loại bỏ thiết bị chặn cơ khí bổ sung.
• Kết quả nghiên cứu phù hợp với các công trình quốc tế, mở rộng phạm vi ứng dụng động cơ AFPM trong các môi trường đặc biệt và công nghiệp sạch.
• Đề xuất phát triển bộ điều khiển nâng cao, thu nhỏ kích thước động cơ, tích hợp cảm biến giám sát và mở rộng ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Next steps: Triển khai nghiên cứu điều khiển nâng cao, thử nghiệm thực tế và phát triển sản phẩm mẫu trong vòng 1-2 năm tới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực truyền động điện được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp dựa trên kết quả luận văn để nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh của sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất, vi xử lý và kỹ thuật máy tính,. thì việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trở nên dễ dàng và đạt được những chỉ tiêu chất lượng cao. Trong các ngành công nghiệp, các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều đang được thay thế bằng hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP). Do đó, các hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP cũng phát triển mạnh mẽ và mang lại lợi ích kinh tế cao trong sản xuất.

Các hệ truyền động ĐCXCBP đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 80 của thế kỷ trước nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn. Đặc biệt, hệ biến tần điều khiển ĐCXCBP đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm vì hệ thống này có nhiều ưu điểm như: tiết kiệm năng lượng; mômen mở máy lớn do vậy kéo được tải nặng khi khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng; có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ,. ĐCXCBP có các loại đồng bộ và không đồng bộ. Ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ là ổn định tốc độ cao, các chỉ tiêu năng lượng như hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao.

Trong chuyên đề này, tập trung nghiên cứu tổng quan động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu. Trong điều kiện ràng buộc là hai đầu trục của động cơ sử dụng hai ổ đỡ từ. Các ổ đỡ từ này chỉ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn được dịch chuyển dọc trục của rotor. Để chặn dịch chuyển dọc trục của rotor khi quay, trong chuyên đề này đề xuất loại động cơ đồng bộ từ thông dọc trục có cấu tạo đặc biệt, vừa tạo ra mômen quay cho rotor vừa chặn được chuyển dịch dọc trục của nó.

Điều đó, không làm tăng kích thước của động cơ và cũng không phải sử dụng thêm thiết bị chặn cơ khí nào. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 Máy điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài, bắt đầu từ những thí nghiệm của Michael Faraday (1831) và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho kích thước động cơ nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, mang tính động học và có hiệu suất hơn. Các loại máy điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là động cơ điện không đồng bộ (KĐB), vì loại động cơ điện này có những đặc điểm như cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên, các động cơ điện đồng bộ (ĐB) do có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã được sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh với động cơ điện KĐB trong lĩnh vực truyền động điện.

Về ưu điểm, trước hết phải nói là động cơ điện ĐB do được kích thích bằng dòng điện một chiều có thể làm việc với cos bằng 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm được tổn thất điện áp lưới và tổn hao công suất trên đường dây. Ngoài ưu điểm chính đó, động cơ điện ĐB còn ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của động cơ chỉ tỷ lệ với điện áp nguồn cung cấp (U), trong khi mômen của động cơ điện KĐB tỷ lệ với bình phương của điện áp nguồn cung cấp (U2).1: Động cơ điện - từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858, 1889 của N. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 Vì vậy, khi điện áp của lưới bị sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơ điện ĐB lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ điện đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện. Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất của động cơ điện ĐB cao hơn hiệu suất của động cơ điện KĐB vì động cơ điện ĐB có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ hơn.

Nhược điểm của động cơ điện ĐB so với động cơ điện KĐB ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá thành cao (chủ yếu đối với máy điện đồng bộ cực lồi công suất lớn). Hơn nữa, việc mở máy động cơ điện đồng bộ cũng phức tạp và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện cung cấp. Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ NCVC từ thông dọc trục Khi tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy điện cho thấy các máy điện đầu tiên là các máy điện từ thông dọc trục (M. Faraday, 1831, Nhà phát minh vô danh với các nam châm vĩnh cửu đầu tiên, 1832, W.

Nguyên mẫu làm việc thô sơ đầu tiên của một máy điện từ thông dọc trục được ghi nhận là có dạng hình đĩa của M. Cấu tạo kiểu đĩa của các máy điện cũng xuất hiện trong các bằng sáng chế của N. Tesla, chẳng hạn bằng sáng chế của Mỹ số 405 858 có tiêu đề Động cơ điện - từ và được xuất bản năm 1889 (hình 1.Tuy nhiên, không lâu sau khi T. Davenport (1837) yêu cầu bảo hộ bằng sáng chế đầu tiên cho một máy điện từ thông hướng tâm, các máy điện từ thông hướng tâm thông dụng được chấp nhận rộng rãi như là cấu hình chủ đạo đối với các máy điện.

Sự phát triển của máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (Axial Flux Permanent Magnet - AFPM) khá chậm so với các máy điện từ thông hướng tâm kích từ nam châm vĩnh cửu (Radial Flux Permanent Magnet - RFPM) nguyên nhân là do thiếu công nghệ chế tạo máy điện AFPM vì gặp phải các khó khăn như: Lực hấp dẫn từ tính dọc trục giữa stator và rotor lớn, chi phí cao liên quan đến chế tạo các lõi stator ghép bằng các lá thép và khó khăn trong lắp ráp máy LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 điện để giữ cho khe hở không khí đều,…mặt khác, mặc dù hệ thống kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) đầu tiên được áp dụng cho máy điện từ đầu những năm 1830, nhưng do chất lượng kém của các vật liệu từ cứng đã ngăn cản việc sử dụng NCVC. Việc pát minh ra hợp kim Alnico vào năm 1931, barium ferrite vào những năm 1950 và đặc biệt là vật liệu đất hiếm neodymium-iron-boron (NdFeB) được thông báo vào năm 1983, đã cho phép sự trở lại của hệ thống kích từ NCVC. Hiện tại, sự sẵn có của các vật liệu NCVC năng lượng cao (vật liệu đất hiếm neodymium- iron-boron (NdFeB)) là động lực cho việc khai thác các cấu trúc máy điện kích từ NCVC mới và vì vậy đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng máy điện AFPM. Giá của các NCVC đất hiếm đã giảm mạnh trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20.

Một khảo sát thị trường cho thấy rằng các NCVC NdFeB hiện nay có thể được mua ở vùng Viễn Đông với giá < U. Với sự sẵn có của các vật liệu NCVC giá cả ngày càng rẻ hơn, các máy điện AFPM có thể đóng một vai trò quan trọng hơn trong tương lai gần. Ngày nay, máy điện AFPM đã trở thành đối tượng của nhiều nghiên cứu quan trọng khắp thế giới trong 30 năm qua và giờ đây có thể được xem như là một công nghệ chín muồi, bằng chứng là việc sử dụng chúng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, từ hàng tiêu dùng đến các ứng dụng công nghiệp cao và quân sự, từ các hệ thống năng lượng tái tạo đến vận tải, đó là những ứng dụng yêu cầu tính cực kỳ nhỏ gọn theo hướng trục đi đôi với mật độ mô men và hiệu suất cao. Các kiểu máy điện AFPM Về nguyên lý, mỗi kiểu của một máy điện từ thông hướng tâm (RFPM) sẽ có một phiên bản từ thông dọc trục tương ứng.

Thực tế, máy điện AFPM được giới hạn ở ba kiểu sau: - Các máy điện cổ góp một chiều kích từ NCVC; - Các máy điện đồng bộ và một chiều không chổi than kích từ NCVC; - Các máy điện không đồng bộ (máy điện cảm ứng). LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Có thể phân biệt giữa máy điện một chiều có vành góp kích thích vĩnh cửu, máy điện một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu hay máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có những điểm khác nhau. Máy điện một chiều không chổi than và máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo giống nhau nhưng khác nhau về nguyên lý hoạt động. Dạng sóng sức điện động tạo ra bởi máy điện một chiều không chổi than có dạng hình thang.

Các động cơ cổ góp một chiều AFPM vẫn là một lựa chọn linh hoạt và kinh tế cho một số ứng dụng công nghiệp, ứng dụng trong ô tô và thiết bị gia dụng nhất định như quạt gió, quạt thổi, xe điện cỡ nhỏ, dụng cụ điện máy, đồ gia dụng,… Trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung chủ yếu vào loại động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (gọi tắt là động cơ AFPM). Cuối năm 1970 đầu năm 1980, đã xuất hiện nhiều cấu trúc mới của động cơ AFPM (Campbell, 1975; Leung and Chan, 1980; Weh et al. Từ đó cho đến nay, sự quan tâm đến động cơ điện AFPM tăng lên đáng kể và tìm thấy trong nhiều ứng dụng do ưu điểm của chúng so với các động cơ điện đồng bộ từ thông hướng tâm (động cơ RFPM) thông dụng. Chẳng hạn như: Vì được kích thích vĩnh cửu nên chúng có hiệu suất lớn hơn do tổn thất ở mạch kích từ được loại bỏ, giảm đáng kể tổn thất ở rotor.

Hiệu suất của động cơ điện này vì vậy được cải thiện rất nhiều và mật độ công suất đạt được lớn. Cấu trúc từ thông dọc trục có rất ít vật liệu lõi cho nên đạt được tỷ số mô men/ khối lượng cao. Động cơ điện AFPM có các nam châm mỏng, do đó kích thước của chúng cũng nhỏ hơn so với các động cơ điện RFPM. Kích thước và hình dạng là những tính năng quan trọng trong các ứng dụng khi không gian lắp đặt có nhiều hạn chế, vì vậy tính tương thích là rất quan trọng.