Tổng quan luận án

Ổ đỡ từ là cơ cấu chấp hành có khả năng nâng đỡ rotor chuyển động quay mà không cần tiếp xúc cơ khí nhờ vào lực từ trường. Khác với các loại ổ bi truyền thống luôn tồn tại ma sát, đòi hỏi bôi trơn định kỳ và bị giới hạn nghiêm ngặt khi làm việc ở dải tốc độ cao hoặc trong môi trường khắc nghiệt (chân không, nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp), ổ từ giải quyết được các hạn chế này. Trong các dạng ổ từ, ổ từ bị động (PMB) dùng nam châm vĩnh cửu không tiêu hao năng lượng nhưng đặc tính cứng cố định, khả năng giảm chấn kém; ổ từ chủ động (AMB) dùng nam châm điện có khả năng điều khiển linh hoạt nhưng liên tục tiêu tốn năng lượng điện. Ổ từ kiểu lai (HMB) là đối tượng kết hợp nam châm điện và nam châm vĩnh cửu nhằm tận dụng lực nâng tĩnh của nam châm vĩnh cửu để tiết kiệm điện năng, đồng thời sử dụng nam châm điện để điều khiển ổn định và bù tải trọng động.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ cấu trúc kết hợp của hai loại nam châm trong ổ từ kiểu lai: các mô hình HMB hiện có tồn tại hiện tượng xen kênh từ thông giữa các cực từ lân cận và nguy cơ bão hòa từ cục bộ trong mạch từ khi tăng dòng điện điều khiển. Hiện tượng này gây suy giảm lực nâng, tổn hao năng lượng từ trường và làm tăng tính phi tuyến, gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung:

  1. Nghiên cứu phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đảm bảo giảm ảnh hưởng xen kênh, giảm ảnh hưởng bão hòa từ, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng điều khiển.
  2. Xây dựng hệ điều khiển phù hợp để đảm bảo hoạt động cho ổ từ kiểu lai với cấu trúc mới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Ổ từ kiểu lai (HMB), loại ổ từ tích hợp nam châm vĩnh cửu và nam châm điện.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế cấu tạo cơ cấu chấp hành, xây dựng mô hình toán học giải tích, thiết kế bộ điều khiển thích hợp (tuyến tính và phi tuyến), phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình vật lý.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại lịch sử phát triển của công nghệ ổ từ từ đầu những năm 1970 trong hệ thống định hướng vệ tinh và bộ ổn định con quay hồi chuyển trong không gian, sau đó mở rộng sang máy bơm phân tử tuabin, máy phát điện tăng áp, máy nén tuabin, máy phay mài tốc độ cao, máy bơm máu, bánh đà tích trữ năng lượng, thiết bị tia X và tuabin khí hàng không [7-11]. Các hướng nghiên cứu nền tảng gồm ổ từ bị động [1-2], ổ từ chủ động [3-4] và ổ từ kiểu lai [5-6, 12].

Về cấu trúc hình học, luận án khảo sát số lượng cực từ của HMB: loại 3 cực [13-14] có ưu điểm nhỏ gọn, ít bộ khuếch đại nhưng phân bố lực không đối xứng, phi tuyến cao và khó tách kênh; loại 8 cực có phân bố lực đối xứng, dễ tách kênh nhưng quá nhiều cực làm tăng số bộ khuếch đại công suất và tổn hao; loại 4 cực [15-17] dung hòa được hai dạng trên, hiện đang được các hãng công nghiệp (Synchrony, Mutecs) đẩy mạnh nghiên cứu.

Về cách bố trí nam châm trong HMB 4 cực, luận án phân tích ba dạng chính:

  • Dạng 1: Nam châm vĩnh cửu đặt chính giữa hai nam châm điện tạo cấu trúc cân xứng [18-21], nhưng các đường từ thông đan xen cắt nhau qua tâm rotor gây khó điều khiển và tổn thất năng lượng.
  • Dạng 2: Sử dụng một vành nam châm vĩnh cửu hình tròn bao quanh và rotor rỗng [22], hạn chế cắt chéo qua tâm nhưng công nghệ từ hóa vành tròn phức tạp, tốn chi phí và các cực vẫn nối chung quanh vành dẫn từ nên còn xen kênh.
  • Dạng 3: Bốn cực từ tách biệt độc lập, nam châm vĩnh cửu đặt cạnh nam châm điện [23-27], hạn chế xen kênh và giảm từ thông qua tâm rotor rỗng, nhưng việc bỏ vành liên kết làm đường dẫn từ thông bị thu hẹp, dẫn đến bão hòa từ sớm khi dòng điện tăng cao, làm suy giảm khả năng chịu tải.

Về phương pháp điều khiển, tác giả tổng kết các hướng tiếp cận:

  • Điều khiển tuyến tính hóa quanh điểm làm việc: Điều khiển phi tập trung PD/PID [28-32] có cấu trúc đơn giản nhưng gặp hiện tượng ảnh hưởng chéo khi rotor quay; điều khiển PID phản hồi chéo [33-35] và PID phản hồi chéo có bù pha [36-37] vẫn tồn tại độ trễ pha và làm tăng độ phức tạp của hệ thống. Để khắc phục, phương pháp điều khiển phản hồi tập trung PD tại tâm rotor được phát triển [38], sau đó được hoàn thiện bằng cách xét thêm chuyển động con quay hồi chuyển [39-40] và mở rộng cho PID [41-43]. Kỹ thuật phản hồi trạng thái LQG [44-46] dễ gây mất ổn định khi tốc độ quay thay đổi do sự không chắc chắn của bộ ước lượng. Phương pháp điều khiển hiện đại $H_\infty$ và tổng hợp $\mu$ [47-53] thích hợp cho rotor đàn hồi, nhưng với rotor cứng thì ma trận phản hồi không cho kết quả vượt trội hơn so với điều khiển PD tập trung tại tâm [54].
  • Điều khiển phi tuyến: Phương pháp điều khiển trượt (SMC) có ưu điểm kháng nhiễu và không nhạy cảm với biến thiên thông số [55-61], nhưng nhược điểm lớn nhất là hoạt động chuyển mạch gây ra hiện tượng rung (chattering) [62].

Khoảng trống mà luận án giải quyết là thiết kế một cấu trúc HMB 4 cực độc lập vừa loại bỏ được xen kênh từ thông, vừa mở rộng được tiết diện dẫn từ để chống bão hòa; đồng thời xây dựng bộ điều khiển phản hồi tập trung PD tách biệt hoàn toàn chuyển động tịnh tiến - quay có bù hiệu ứng con quay hồi chuyển, kết hợp bộ điều khiển trượt triệt tiêu hiện tượng rung chattering.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết và công cụ phân tích sau:

  • Lý thuyết mạch từ: Sử dụng định luật Hopkinson tính toán từ trở gông thép stator ($R_{si}, R_{so}$), từ trở rotor ($R_{rt}$), từ trở nam châm vĩnh cửu ($R_{pm}$) và từ trở khe hở không khí ($R_{ai}, Rao, Rag$). Tính toán từ thông $\Phi$ và xác định lực từ tác dụng lên rotor theo định luật Maxwell $F = \Phi^2 / (\mu_0 A)$.
  • Lý thuyết động lực học rotor cứng: Mô hình hóa hệ thống 4 bậc tự do ngang gồm 2 chuyển vị tịnh tiến ($x, y$) và 2 chuyển vị góc quanh khối tâm ($\alpha, \beta$); thiết lập phương trình vi phân chuyển động có ma trận khối lượng $M$, ma trận con quay hồi chuyển $G(\Omega)$ phụ thuộc vận tốc góc rotor $\Omega$, ma trận biến đổi tọa độ $T_{in}$ và ma trận phân bố lực $T_{out}$.
  • Tuyến tính hóa Taylor: Khai triển lực từ phi tuyến quanh điểm cân bằng danh định ($x_0, i_{x0}$) để xác định hệ số độ cứng dòng điện $K_{ix}$ và hệ số độ cứng dịch chuyển $K_x$.
  • Lý thuyết điều khiển trượt (SMC): Thiết lập các mặt trượt tuyến tính $s$, sử dụng hàm trơn $\text{Sigmoid}(s)$ thay thế cho hàm dấu $\text{sgn}(s)$ để triệt tiêu hiện tượng dao động tần số cao quanh mặt trượt.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm:

  • Phương pháp giải tích mạch từ tương đương (EMCM): Xây dựng sơ đồ thay thế mạch từ cho từng nhánh dẫn từ để tính toán giải tích từ thông và lực từ.
  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Thực hiện mô phỏng số 3D trên phần mềm ANSYS Maxwell; thiết lập điều kiện biên Neumann, biên tiếp tuyến đối xứng; sử dụng giải thuật chia lưới tự động thích nghi từ lưới thô sang lưới tinh.
  • Phương pháp mô phỏng hệ thống điều khiển: Xây dựng cấu trúc điều khiển tuyến tính PD tập trung và SMC trên nền tảng MATLAB/Simulink.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ cấu chấp hành HMB khe phân cách, mạch lực biến đổi công suất cầu H điều chế PWM, hệ thống cảm biến đo khoảng cách dòng xoáy, kiểm chứng hệ thống ở trạng thái tĩnh, quay ổn định, thay đổi tải trọng và chịu nhiễu lực.

Nguồn vật liệu và thông số mô hình được sử dụng trong tính toán và mô phỏng được tác giả trình bày tại Bảng 2.1:

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Chiều dài nam châm $L_p$ $5 \times 10^{-3}$ m
Chiều dài cạnh khung thép $L_{s1}$ $23.5 \times 10^{-3}$ m
Chiều dài cạnh khung thép $L_{s2}$ $51 \times 10^{-3}$ m
Chiều rộng khung thép $L_{s3}$ $20 \times 10^{-3}$ m
Chiều dài rotor $L_r$ $62 \times 10^{-3}$ m
Bán kính rotor $R$ $16 \times 10^{-3}$ m
Dải dòng điện điều khiển $i$ $0 - 10$ A
Số vòng dây cuộn điều khiển $N$ 200 vòng
Khe hở không khí danh định $A_g$ ($x_0$) $1 \times 10^{-3}$ m
Tiết diện mặt cắt khe hở $A$ $300 \times 10^{-6}$ m$^2$
Độ từ thẩm chân không $\mu_0$ $4\pi \times 10^{-7}$ H/m
Độ từ thẩm tương đối nam châm $\mu_u$ 1,045 -
Vật liệu nam châm vĩnh cửu - NdFe30 -
Vật liệu gông thép - Steel-1008 -
Vật liệu cuộn dây - Đồng -
Môi trường làm việc - Chân không -

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ổ từ kiểu lai

Chương 1 trình bày tổng quan về nguyên lý ổ bi và ổ từ, phân tích bản chất của PMB, AMB và HMB. Tác giả chỉ ra tính ưu việt của HMB nhờ kết hợp nam châm vĩnh cửu chịu tải tĩnh và nam châm điện điều khiển tải động. Chương này phân tích chi tiết ưu nhược điểm của các cấu trúc 3 cực, 4 cực, 8 cực và 3 dạng bố trí nam châm trong y văn. Kết quả phân tích xác định cấu trúc 4 cực độc lập là đối tượng tối ưu để cải tiến, tránh xen kênh từ thông nhưng đòi hỏi phải mở rộng đường dẫn từ thông để chống bão hòa.

Về phương pháp điều khiển, chương 1 so sánh các kỹ thuật điều khiển tuyến tính (PD/PID phi tập trung, PID phản hồi chéo, phản hồi tập trung PD tại tâm rotor, LQG, $H_\infty$, $\mu$) và kỹ thuật phi tuyến (SMC). Tác giả kết luận đối với mô hình rotor cứng sau khi đã tách kênh từ thông và tuyến tính hóa, phương pháp điều khiển phản hồi tập trung PD tại tâm rotor có xét đến hiệu ứng con quay hồi chuyển là lựa chọn thích hợp nhất. Đồng thời, bộ điều khiển trượt SMC cần được cải tiến hàm chuyển mạch để triệt tiêu hiện tượng rung chattering khi đối tượng chịu nhiễu lực lớn.

Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc mới ổ từ kiểu lai

Chương 2 tập trung phân tích, tính toán và đề xuất cấu trúc cơ cấu chấp hành mới qua ba bước:

  1. Phân tích cấu trúc HMB không có khe hở phụ: Mô hình gồm 4 cực độc lập, mỗi cực có một nam châm vĩnh cửu ghép nối liền mạch với gông thép chữ U mang hai cuộn dây. Mô phỏng ANSYS 3D cho thấy khi dòng điện $i$ tăng từ 0 đến 6.2 A, lực từ tăng đều và cao hơn cực từ chỉ có cuộn dây. Tuy nhiên, khi dòng điện vượt quá 6.2 A (đến 10 A), tốc độ tăng lực suy giảm rõ rệt và lực sinh ra thấp hơn trường hợp chỉ dùng cuộn dây thuần túy. Trích xuất mật độ từ cảm tại $i = 6.2$ A cho thấy từ cảm tập trung cực đại tại nam châm vĩnh cửu đạt $B = 0.3158$ T. Tra đường đặc tính B-H cho thấy tại điểm này, độ từ thẩm của thép Steel-1008 tăng vượt độ từ thẩm của nam châm NdFe30 ($\mu_u = 1.045$), khiến nam châm vĩnh cửu trở thành vật cản từ trở cao, làm bão hòa mạch từ và hạn chế khả năng sinh lực của cuộn dây.

  2. Đề xuất cấu trúc HMB khe hở phụ: Bổ sung khe hở phụ để tạo đường dẫn từ thông song song cho nam châm điện. Tính toán giải tích EMCM và mô phỏng số FEM cho kết quả tương đồng cao (sai lệch 1.1% tại $i = 0$ A và 2% tại $i = 10$ A). Tuy nhiên, cấu trúc này tồn tại hai hạn chế: ở dải dòng thấp ($0 - 0.8$ A), lực từ nhỏ hơn cấu trúc không có khe phụ do từ thông nam châm vĩnh cửu bị tản qua khe phụ; ở dải dòng cao ($8 - 10$ A), độ dốc tăng lực vẫn bị giảm do đường dẫn từ thông chưa đủ rộng.

  3. Đề xuất cấu trúc HMB khe phân cách: Cấu trúc gồm 4 cực từ độc lập, 4 nam châm vĩnh cửu, 12 cuộn dây chia thành 4 cặp độc lập. Tại mỗi cực, nam châm vĩnh cửu bố trí ở phần giữa gông thép và được phân cách với phần gông ngoài bằng 2 tấm vật liệu phi từ tính dày 2.5 mm (lớn gấp 2.5 lần khe hở phụ 1 mm) để ngăn từ thông tản. Phần gông ngoài được giữ liền mạch tạo đường dẫn từ thông rộng cho cuộn dây khi dòng điện tăng cao. Bốn cực từ gắn trên khung stator bằng hợp kim nhôm phi từ tính; rotor là vành thép dẫn từ có lõi nhôm phi từ tính để triệt tiêu việc cắt chéo từ thông qua tâm rotor.

Tính toán mạch từ tương đương EMCM cho kênh x khi rotor dịch chuyển một khoảng $x$:

  • Từ thông phần giữa (chứa nam châm): $$\Phi_{xi+} = \frac{F_{pm} + N(i_{0x} + i_x)}{R_{xi+}}$$ với $R_{xi+} = R_{ci} + \frac{2(x_0 - x)}{\mu_0 k_i A}$ và $R_{ci} = R_{pm} + 2R_{si} + R_{rt}$.
  • Từ thông phần ngoài (không chứa nam châm): $$\Phi_{xo+} = \frac{N(i_{0x} + i_x)}{R_{xo+}}$$ với $R_{xo+} = R_{co} + \frac{2(x_0 - x)}{\mu_0 k_o A}$ và $R_{co} = 2R_{so} + R_{rt}$.
  • Tổng lực hút của cực từ phía trên: $$F_{x+} = \frac{\Phi_{xi+}^2}{\mu_0 k_i A} + \frac{2\Phi_{xo+}^2}{\mu_0 k_o A}$$
  • Tổng lực hút của cực từ phía dưới $F_{x-}$ được tính toán tương tự ứng với khoảng dịch chuyển $(x_0 + x)$ và dòng điện $(i_{0x} - i_x)$.
  • Lực tổng hợp tác dụng lên rotor theo trục x: $F_x = F_{x+} - F_{x-}$.

Tuyến tính hóa $F_x$ quanh điểm làm việc cân bằng ($x = 0, i_x = 0$) cho phương trình: $$F_x = K_{ix} i_x + K_x x$$ Trong đó các hệ số độ cứng giải tích được xác định chính xác: $$K_{ix} = \frac{4\mu_0 k_i A N [F_{pm} + N i_{0x}]}{(\mu_0 k_i A R_{ci} + 2 x_0)^2} + \frac{8\mu_0 k_o A N^2 i_{0x}}{(\mu_0 k_o A R_{co} + 2 x_0)^2}$$ $$K_x = \frac{8\mu_0 k_i A [F_{pm} + N i_{0x}]^2}{(\mu_0 k_i A R_{ci} + 2 x_0)^3} + \frac{16\mu_0 k_o A [N i_{0x}]^2}{(\mu_0 k_o A R_{co} + 2 x_0)^3}$$

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển cho ổ từ kiểu lai khe phân cách

Chương 3 thiết lập mô hình toán học động lực học rotor cứng 4 bậc tự do gồm hai ổ từ nâng hai đầu rotor (HMB-A và HMB-B). Chuyển vị đo được tại vị trí cảm biến $q_s = [x_{as}, y_{as}, x_{bs}, y_{bs}]^T$ được quy đổi về chuyển vị khối tâm rotor $q = [x, y, \alpha, \beta]^T$ qua ma trận biến đổi hình học $T_{in}$. Phương trình động lực học tổng quát có dạng: $$M\ddot{q} + G\dot{q} = B f$$ Trong đó $M = \text{diag}(m, m, I_y, I_x)$ là ma trận quán tính, $G$ là ma trận con quay hồi chuyển chứa vận tốc góc $\Omega$ và momen quán tính trục $I_z$, $B$ là ma trận chuyển đổi lực từ hai ổ từ vào trọng tâm.

Luận án xây dựng hai thuật toán điều khiển:

  1. Hệ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD: Sử dụng ma trận chuyển đổi tọa độ và phân bố lực để phân tách hoàn toàn chuyển động tịnh tiến (hệ số $P_{pa}, D_{pa}$) và chuyển động quay (hệ số $P_{co}, D_{co}$) tại tâm rotor. Kết quả phân tích quỹ đạo nghiệm số với vận tốc góc $\Omega$ biến thiên từ 0 đến 11400 vòng/phút cùng kết quả mô phỏng trên MATLAB tại $\Omega = 0$, $\Omega = 6000$ vòng/phút và $\Omega = 10500$ vòng/phút chứng minh hệ thống duy trì được tính ổn định và triệt tiêu được ghép kênh động lực học.
  2. Hệ điều khiển phi tuyến trượt (SMC): Thiết kế 4 mặt trượt $s_1, s_2, s_3, s_4$. Để khắc phục nhược điểm rung chattering do hàm chuyển mạch gián đoạn $\text{sgn}(s)$, tác giả thay thế bằng hàm trơn $\text{Sigmoid}(s)$. Mô phỏng so sánh khi rotor chịu tải trọng định mức, khi treo thêm tải trọng ngoài và khi chịu nhiễu lực đột ngột khẳng định thuật toán SMC dùng hàm Sigmoid triệt tiêu được hiện tượng rung cơ học, bảo đảm độ chính xác bám vị trí.

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm và các kết quả thực nghiệm

Chương 4 trình bày việc chế tạo và thử nghiệm hệ thống thực nghiệm HMB khe phân cách 4 bậc tự do:

  • Cơ cấu chấp hành gồm stator 4 cực khe phân cách với các tấm ngăn cách phi từ tính 2.5 mm đặt trong khung nhôm; rotor dạng ống thép dẫn từ ép trên trục nhôm phi từ tính.
  • Phần cứng điều khiển gồm 4 bộ biến đổi công suất cầu H điều khiển dòng điện PWM, 4 cảm biến đo khoảng cách dòng xoáy có độ nhạy cao kết nối với card xử lý tín hiệu và máy tính điều khiển trung tâm.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Trạng thái tĩnh ($\Omega = 0$): Thuật toán PD tập trung nâng thành công rotor từ vị trí nghỉ lên vị trí cân bằng danh định $x_0$ với thời gian quá độ ngắn và duy trì trạng thái lơ lửng ổn định.
    • Trạng thái quay: Hệ thống vận hành ổn định trong toàn dải tốc độ từ 0 đến 7000 vòng/phút, không xuất hiện hiện tượng mất ổn định do cộng hưởng hay xen kênh chuyển động.
    • Khảo sát thay đổi tải và nhiễu lực: Thực hiện treo thêm quả nặng $m_n$ vào trục rotor và tác động các xung lực ngẫu nhiên từ bên ngoài. Kết quả đo dịch chuyển thực nghiệm cho thấy rotor chỉ lệch khỏi vị trí cân bằng trong biên độ cho phép và nhanh chóng phục hồi về vị trí danh định.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và thực tiễn kỹ thuật gồm:

  1. Phát triển cấu trúc mới ổ từ kiểu lai khe phân cách: Thỏa mãn đồng thời các tiêu chí không xen kênh từ thông giữa các cực từ, giảm từ trường tản của nam châm vĩnh cửu nhờ lớp cách ly phi từ tính 2.5 mm, mở rộng tiết diện đường dẫn từ thông bằng gông thép ngoài liền mạch, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và chống bão hòa từ ở dải dòng điện cao.
  2. Xây dựng mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh: Thiết lập các phương trình giải tích xác định từ thông, lực từ và các hệ số độ cứng $K_{ix}, K_x$ bằng phương pháp EMCM; xây dựng mô hình động lực học không gian 4 bậc tự do của rotor cứng có xét đến vận tốc góc $\Omega$ và hiệu ứng con quay hồi chuyển.
  3. Thiết kế và ứng dụng thành công các thuật toán điều khiển:
    • Hệ điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tâm rotor giúp tách biệt hoàn toàn chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
    • Hệ điều khiển phi tuyến trượt (SMC) cải tiến bằng cách thay thế hàm dấu $\text{sgn}(s)$ bằng hàm $\text{Sigmoid}(s)$, giảm thiểu hiện tượng rung chattering.
  4. Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm vật lý: Kiểm chứng thuật toán PD tập trung trên hệ thống thực nghiệm HMB khe phân cách 4 bậc tự do, chứng minh hệ thống làm việc ổn định ở trạng thái tĩnh, trạng thái quay từ 0 đến 7000 vòng/phút, đồng thời thích nghi tốt khi thay đổi tải trọng và chịu nhiễu lực bên ngoài.

Về mặt kiến nghị ứng dụng, tác giả đề xuất áp dụng cấu trúc HMB khe phân cách vào các thiết bị công nghiệp tốc độ cao đòi hỏi độ sạch và độ tin cậy lớn như máy nén khí tuabin, máy bơm chân không phân tử và máy gia công cơ khí chính xác cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung văn bản luận án, các hạn chế và định hướng nghiên cứu gồm:

  • Hạn chế: Thử nghiệm thực nghiệm tốc độ quay mới thực hiện tới 7000 vòng/phút, chưa kiểm chứng thực tế ở dải tốc độ cao hơn (như 10500 - 11400 vòng/phút đã khảo sát trên mô phỏng); thuật toán điều khiển trượt SMC với hàm Sigmoid mới được đánh giá trên mô phỏng số MATLAB, chưa cài đặt thực nghiệm trên phần cứng; mô hình toán học giả định rotor là vật rắn tuyệt đối (rotor cứng), chưa xét đến đặc tính đàn hồi của trục khi làm việc qua các tần số uốn tới hạn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cài đặt và thực nghiệm thuật toán SMC sử dụng hàm Sigmoid trên băng thử phần cứng; nâng cao tốc độ quay của rotor trên 10000 vòng/phút; mở rộng mô hình toán học và thuật toán điều khiển cho hệ thống ổ từ đỡ rotor đàn hồi.

Giá trị tham khảo

Nội dung luận án có giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán giải tích mạch từ tương đương (EMCM) kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D (FEM) trên phần mềm ANSYS Maxwell; tham khảo phương pháp mô hình hóa động lực học rotor 4 bậc tự do và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển phản hồi tập trung phân tách kênh tịnh tiến - quay.
  • Kỹ sư thiết kế máy công nghiệp, thiết bị chân không và cơ điện tử chính xác: Tham khảo giải pháp cấu tạo cơ khí - điện từ của stator khe phân cách, kỹ thuật dùng vật liệu nhôm phi từ tính để triệt tiêu xen kênh từ thông, cùng thiết kế mạch lực biến đổi công suất cầu H điều khiển dòng điện PWM.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong cấu trúc ổ từ kiểu lai không có khe hở phụ, lực từ lại tăng chậm và suy giảm hiệu quả khi dòng điện vượt quá 6.2 A?
Khi dòng điện đạt 6.2 A, mật độ từ cảm tại vị trí gắn nam châm vĩnh cửu đo được trên mô phỏng là $B = 0.3158$ T. Tại ngưỡng này, độ từ thẩm của thép Steel-1008 tăng cao và vượt qua độ từ thẩm cố định của nam châm NdFe30 ($\mu_u = 1.045$). Khi đó, nam châm vĩnh cửu có từ trở lớn hơn từ trở của thép, biến thành điểm cản trở từ thông sinh ra bởi cuộn dây, gây ra hiện tượng bão hòa từ cục bộ và làm lực từ sinh ra thấp hơn so với trường hợp cực từ chỉ có cuộn dây điện từ thuần túy.

2. Cấu trúc khe phân cách đã khắc phục nhược điểm của cấu trúc khe hở phụ bằng cách nào?
Cấu trúc khe hở phụ bị tổn thất từ thông nam châm tản qua khe phụ ở dòng điện thấp ($0 - 0.8$ A) và vẫn bị giới hạn đường dẫn từ thông ở dòng điện cao ($8 - 10$ A). Cấu trúc khe phân cách khắc phục điều này bằng cách đặt hai tấm vật liệu phi từ tính dày 2.5 mm (lớn hơn khe hở phụ 1 mm là 2.5 lần) để chặn từ thông tản của nam châm vĩnh cửu, đồng thời giữ phần gông thép bên ngoài liền mạch nhằm mở rộng tối đa đường dẫn từ thông cho cuộn dây khi dòng điện tăng cao.

3. Mức độ sai lệch giữa phương pháp tính toán mạch từ tương đương (EMCM) và mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) là bao nhiêu?
Trong phân tích cực từ của ổ từ kiểu lai khe hở phụ, kết quả so sánh giữa phương pháp EMCM và FEM cho thấy sai lệch rất nhỏ: tại giá trị dòng điện $i = 0$ A sai lệch là 1.1%, và tại giá trị dòng điện cực đại $i = 10$ A sai lệch là 2.0%.

4. Giải pháp nào được tác giả áp dụng để triệt tiêu hiện tượng rung chattering trong bộ điều khiển trượt SMC?
Tác giả thay thế hàm dấu gián đoạn $\text{sgn}(s)$ truyền thống trong luật điều khiển trượt bằng hàm trơn $\text{Sigmoid}(s)$. Việc này làm trơn tín hiệu điều khiển dòng điện $u$ xung quanh mặt trượt, loại bỏ các chuyển mạch tần số cao gây dao động cơ học không mong muốn.

5. Hệ thống thực nghiệm đã kiểm chứng những trạng thái vận hành cụ thể nào của rotor?
Hệ thống thực nghiệm 4 bậc tự do đã kiểm chứng ba trạng thái: trạng thái khởi động tĩnh nâng rotor lơ lửng không tiếp xúc về vị trí cân bằng danh định; trạng thái rotor quay ổn định trong dải tốc độ từ 0 đến 7000 vòng/phút; trạng thái chịu biến thiên tải trọng khi treo thêm quả nặng $m_n$ và trạng thái chịu tác động của xung nhiễu lực ngẫu nhiên từ bên ngoài.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Vũ Đình Đạt đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ nghiên cứu cấu trúc cơ cấu chấp hành, mô hình hóa toán học đến thiết kế điều khiển và chế tạo thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai (HMB). Cấu trúc mới "ổ từ kiểu lai khe phân cách" đã khắc phục triệt để hiện tượng xen kênh từ thông và bão hòa từ nhờ thiết kế vách ngăn phi từ tính 2.5 mm kết hợp gông ngoài liền mạch. Các giải thuật điều khiển PD phản hồi tập trung tách kênh và điều khiển trượt SMC dùng hàm Sigmoid đã chứng minh tính hiệu quả qua mô phỏng và thực nghiệm vận hành ổn định đến 7000 vòng/phút, cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển các cơ cấu đỡ không tiếp xúc trong công nghiệp.