CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH VÀ DAO ĐỘNG 1.1 Giới thiệu động cơ tuyến tính 1.1 Giới thiệu chung về động cơ tuyến tính Trong thời gian gần đây và sau sự ra đời của động cơ tuyến tính, đã có sự gia tăng đáng kể trong việc ứng dụng sản xuất chế tạo của nó với một số ứng dụng công nghiệp hóa hữu ích trong vài thập kỷ. Đáng chú ý nhất là trong các hệ thống truyền động cho máy công cụ CNC, các hệ thống máy móc tự động hóa trong công nghiệp phụ trợ có độ chính xác cao và tốc độ nhanh hoặc trong các phương tiện giao thông như tàu điện. Về bản chất, động cơ tuyến tính thường được mô tả như một động cơ quay đã được cán lăn phẳng, nhưng có nguyên tắc hoạt động giống hệt nhau.
Ở đây, bộ phận rôto được chế tạo từ các cuộn dây được bọc trong nhựa epoxy, trong khi rãnh được chế tạo bằng nam châm định vị – thường là nam châm đất hiếm công suất cao trên thép. Bộ lực này của động cơ – bao gồm các cuộn dây và một bo mạch hiệu ứng, cùng với một điện trở nhiệt của cảm biến nhiệt để theo dõi nhiệt độ, cũng như các kết nối điện phù hợp. Điều này dẫn đến việc trong trường hợp động cơ quay, rôto và stato cần các vòng bi quay để hỗ trợ rôto, đồng thời duy trì khe hở không khí giữa các bộ phận chuyển động. Nguyên lý hoạt động của động cơ truyền thống 1 Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ tuyến tính Hình 1.3 Mô hình nguyên lý của động cơ tuyến tính Tương tự như vậy, động cơ tuyến tính thường yêu cầu một bộ ray dẫn hướng tuyến tính phù hợp để duy trì vị trí của bộ lực bên trong từ trường này của rãnh tuyến tính nam châm.
Bộ mã hóa được gắn trên rôto, như ví dụ đối với động cơ servo quay tương tự, để cung cấp phản hồi vị trí của trục, do đó động cơ tuyến tính cũng yêu cầu phản hồi vị trí theo hướng chuyển động tuyến tính của chúng. Vì vậy, bằng cách sử dụng một bộ mã hóa tuyến tính, vị trí trục được đo trực tiếp tại tải để tăng độ chính xác của vị trí tải của nó. Do đó, điều khiển cho động cơ tuyến tính không thể phân biệt được với điều khiển của động cơ quay. Tương tự như động cơ quay không chổi than, bộ 2 lực và đường rãnh không có kết nối cơ học – không có chổi than.
Trái ngược với động cơ quay trong đó rôto quay và stato được giữ bất động, hệ thống động cơ tuyến tính có thể hoạt động với bộ lực, hoặc rãnh từ chuyển động (tức là trong nhiều ứng dụng hệ thống định vị, chúng sử dụng bộ lực chuyển động và rãnh tĩnh). Một động cơ tuyến tính được trang thụ động cơ lực chuyển động hoạt động với trọng lượng lực nhỏ so với tải, mặc dù hệ thống quản lý cáp với dây cáp có độ uốn dẻo cao là điều kiện tiên quyết. Theo đó, với cấu hình đường rãnh chuyển động, động cơ phải di chuyển cả tải, cộng với khối lượng của đường rãnh từ, mặc dù ở đây không cần hệ thống quản lý cáp. Các nguyên tắc cơ điện so sánh được xảy ra, cho dù động cơ này là dạng quay hay dạng tuyến tính.
Hơn nữa, lực điện từ tương đương tạo ra mô-men xoắn trong động cơ quay, tạo ra một lực theo phương thẳng của nó. Kết quả là, động cơ tuyến tính sử dụng các điều khiển giống hệt nhau và định vị có thể lập trình, như với động cơ quay.2 Ứng dụng của động cơ tuyến tính: Với đặc điểm độ chính xác cao, tốc độ nhanh và giảm tiêu hao năng lượng nên động cơ tuyến tính càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân dụng và công nghiệp. Một ứng dụng mang tính cách mạng trong lĩnh vực dân dụng là tàu siêu tốc sử dụng điện từ trường tương tự động cơ tuyến tính (Magnetic levitation transport). Tàu đệm từ hay xe điện đồng cực từ tính là một phương tiện chuyên chở được nâng lên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực điện từ.
Phương pháp này có thể nhanh và tiện nghi hơn các loại phương tiện công cộng sử dụng bánh xe, do giảm ma sát và loại bỏ các cấu trúc cơ khí. Tàu đệm từ có thể đạt đến tốc độ ngang với máy bay sử dụng động cơ cánh quạt hay phản lực; tức là tới khoảng 500 đến 580 km/h. Tàu đệm từ đã được sử dụng trong thương mại từ 1984. Tuy nhiên, các giới hạn về khoa học và kinh tế đã cản trở sự phát triển của kỹ thuật mới này.4 JR-Maglev tại Nhật Kỹ thuật nâng bằng lực từ không có gì trùng lặp với kỹ thuật tàu sử dụng bánh xe và do vậy không tương thích với đường ray xe lửa truyền thống.
Do không sử dụng chung các cơ sở hạ tầng đang hiện có, tàu đệm từ phải được thiết kế với một hệ thống giao thông hoàn toàn mới. Thuật ngữ "tàu đệm từ" không chỉ đơn thuần chỉ đến phương tiện chuyên chở mà còn bao gồm cả sự tương tác giữa tàu và đường ray,; mỗi cái được thiết kế đặc biệt tương thích lẫn nhau để tạo ra lực nâng và điều khiển chính xác việc nâng lên và đẩy tới bằng lực điện từ.5 Transrapid tại trạm thử nghiệm Emsland ở Đức 4 Bởi vì không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu và không khí. Do đó, tàu đệm từ có khả năng di chuyển với vận tốc rất cao, tiêu tốn ít năng lượng và có thể gây ra ít tiếng ồn.Các hệ thống đã được đề nghị có thể hoạt động với vận tốc lên đến 650 km/h, nhanh hơn nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống. Tốc độ rất cao của tàu đệm từ làm chúng có thể cạnh tranh với các đường bay dưới 1.6 Nguyên lý của tàu đệm từ trường Một ứng dụng khác mang tính cách mạng trong công nghiệp phụ trợ là Robot đơn trục.
Với độ chính xác cao, tốc độ nhanh đồng thời có thể dùng nhiều cụm di chuyển trên cùng một bộ, động cơ tuyến tính đã và đang chứng tỏ khả năng vượt trội về ứng dụng của mình. Tuy nhiên vì giá thành tương đối cao nên không được sử dụng rộng rãi ở thời điểm hiện tại.7 Động cơ tuyến tính đơn trục 5 Hình 1.8 Ứng dụng động cơ tuyến tính trong máy công cụ.9 Ứng dụng động cơ tuyến tính trong bàn kiểm tra 6 Hình 1.10 Máy kiểm tra 2 trục sử dụng động cơ tuyến tính 1.2 Rung động trong chuyển động. Công nghiệp sản xuất chính xác đưa ra các thiết bị có độ chính xác cao và các thiết bị phản hồi nhanh về vị trí và cả tải trọng di chuyển và mở rộng vùng hoạt động do kích thước sản phẩm phẩm tăng lên và cải thiện năng suất. Nói chung, hệ thống chuyển động bán dẫn đòi hỏi độ chính xác cực cao và tốc độ cao trong các hành trình dài, hệ thống này phải đáp ứng độ chính xác đến 1 nanomet và hành trình lên cả chục mét.
Vì vậy đòi hỏi những thiết bị vào giải pháp đưa ra để đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của khách hàng. Vấn đề rung động của cơ hệ trong trạng thái chuyển động của động cơ tuyến tính do sự tăng tốc và giảm tốc nhanh của các phần chuyển động là một nguyên nhân chính làm giảm độ chính xác, giảm tuổi thọ và năng suất sản xuất của thiết bị. Để tăng tốc và giảm tốc một khối tải trọng lớn thì một lực đẩy lớn cần sinh ra và cân bằng với phản lực của cơ hệ được tạo ra đủ lớn. Phản lực lớn dẫn đến cơ hệ bị rung động với biên dạng không chấp nhận được hoặc sinh ra trong một thời gian đủ dài là những nguyên nhân làm giảm tuổi thọ, thời gian và năng suất của các thiết bị sản xuất.3 Mô tả động học các quá trình dao động.
Các quá trình dao động thường là các quá trình thay đổi đa dạng theo thời gian. Trong tính toán hoặc trong đo đạc các quá trình dao động người ta thường phân thành dao động tuần hoàn và dao động không tuần hoàn. Một dạng đặc biệt của các dao động tuần hoàn là dao động điều hoà. Trong chương này ta sẽ trình bày một số tính chất động học và cách biểu diễn các dao động tuần hoàn và không tuần hoàn.1 Dao động điều hòa 1.
Các tham số động học của dao động điều hoà Dao động điều hoà được mô tả về phương diện động học bởi hệ thức y( t) = Asin(ω t + α ) = Asinψ ( t) (1.1) Dao động điều hoà còn được gọi là dao động hình sin. Đại lượng A không giảm tổng quát luôn có thể giả thiết là số dương và được gọi là biên độ dao động. Như thế biên độ dao động là giá trị tuyệt đối của độ lệch lớn nhất của đại lượng dao động y( t) so với giá trị trung bình của nó (hình 1. Đại lượng ψ (t ) = ωt + α được gọi là góc pha, hay một cách vắn tắt là pha dao động.
Góc α được gọi là pha ban đầu.11 Biên độ dao động 8 Đại lượng ω được gọi là tần số vòng của dao động điều hoà, đơn vị của ω là rad/s hoặc s-1. Vì hàm sin có chu kỳ 2π nên dao động điều hoà có chu kỳ 2π T= (1.2) ω Điều đó được xác định bởi biến đổi sau 2π y(t + T ) = Asin[ω ( t + ) + α ] = Asin(ω t+ α + 2π ) ω (1.3) = Asin(ω t + α ) = y( t) Như thế chu kỳ dao động là khoảng thời gian nhỏ nhất cần thiết để đại lượng dao động trở lại vị trí ban đầu. 1 Đại lượng f = được gọi là tần số dao động. Đơn vị của tần số f là T s-1 hoặc Hz (Hertz).
Như thế, tần số là số lần dao động thực hiện trong một giây. Giữa tần số dao động f và tần số vòng ω có mối quan hệ sau ω = 2π f (1.4) Từ công thức (1.1) ta thấy : một dao động điều hoà được xác định khi biết ba đại lượng A, ω và α. Mặt khác, một dao động điều hoà cũng được xác định duy nhất khi biết tần số vòng ω và các điều kiện đầu. Giả sử các điều kiện đầu có dạng t = 0; y(0) = y0 y (0) = y0 Khi đó từ phương trình (1.1) ta có y0 = Asin α ; y0 = ω Acos α 9 Từ đó suy ra y 20 A= y02 + (1.