Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của ổ từ. Phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc khác nhau của ổ từ kiểu lai, từ đó đưa ra những cải tiến phù hợp để phát triển cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển cho ổ từ nói chung và ổ từ kiểu lai nói riêng, qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp cho cấu trúc ổ từ kiểu lai mới. Chương 2: Phân tích tính toán chi tiết về dạng cấu trúc ổ từ kiểu lai đã được công bố và tìm ra những hạn chế tồn tại để đưa ra cải tiến mới.
Tác giả đã so sánh hiệu quả của các cấu trúc ổ từ kiểu lai mới đề xuất ở luận án này (ổ từ kiểu lai khe hở 16 phụ, ổ từ kiểu lai khe phân cách) với dạng ổ từ kiểu lai đã có thông qua hai phương pháp tính toán và mô phỏng. Hai phương pháp đó là: Phương pháp tính toán mạch từ tương đương (ECMC) và phương pháp mô phỏng phần từ hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS. Từ những tính toán và phân tích mô phỏng sẽ đưa ra những đánh giá về hiệu quả của cấu trúc ổ từ kiểu lai mới so với cấu trúc đã có để lựa chọn cấu trúc tối ưu. Bên cạnh đó thì những phân tích tính toán cũng được dùng làm cơ sở để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới ở chương tiếp theo.
Chương 3: Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống ổ từ kiểu lai mới bằng cách tách chuyển động hỗn hợp của rotor thành thành hai chế độ chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tại tâm của rotor. Từ đặc điểm của mô hình toán học đã xây dựng, phương pháp điều khiển phù hợp đã được chọn lựa để áp dụng. Ở đây là phương pháp điều khiển tuyến tính phản hồi tập trung PD tại tọa độ tâm của rotor và pháp điều khiển phi tuyến dựa trên bộ điều khiển trượt (SMC) đã được thiết kế. Chương 4: Tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống ổ từ kiểu lai mới với các thông số tính toán ở chương 2 và làm thực nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống.
Phần kết luận: Đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Đưa ra đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. TỔNG QUAN VỀ Ổ TỪ KIỂU LAI 1.1 Khái niệm chung về ổ từ Trong các chuyển động quay, ổ bi là một bộ phận được dùng để đỡ trục và giảm ma sát giữa phần quay và phần không quay. Cấu tạo của ổ bi được mô tả trong Hình 1.1 dưới đây: Hình 1.1 Cấu tạo ổ bi Ổ bi là một bộ phận nhỏ tuy nhiên lại rất quan trọng đối với các hoạt động quay của thiết bị.
Khi phải làm việc với tốc độ quay cao, trong môi trường bụi bẩn, khắc nghiệt hoặc nhiệt độ cao., ổ bi gặp phải một số nhược điểm như: thường xuyên phải bôi trơn, bảo dưỡng, kiểm tra thay thế. Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc cả trong môi trường yêu cầu độ sạch cao. Xuất phát từ những khó khăn, nhược điểm mà ổ bi đang gặp phải, đã có nhiều nghiên cứu về việc thay thế ổ bi và một trong số đó chính là ổ từ (Hình 1. Trong ổ từ, các cực từ tạo ra dụng lực từ để nâng rotor trong các chuyển động quay mà không có tiếp xúc cơ khí, lực ma sát gần như bằng không.
Do đặc điểm nâng không tiếp xúc, công nghệ ổ từ đã đưa ra những ưu điểm nổi bật so với các loại ổ bi thông thường. Ổ từ không chỉ giúp tăng hiệu suất cho máy móc và thiết bị. Ổ từ còn có khả năng chịu tải lớn, tốc độ cao và cho phép làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ cao, nhiệt độ quá thấp hoặc môi trường chân không., khi mà các điều kiện về bôi trơn, bảo dưỡng là khó khăn.2 Cấu tạo ổ từ Do những ưu điểm về hiệu năng, độ bền và phạm vi ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, lĩnh vực hàng không vũ trụ.[7-11], nên ổ từ đang thu hút được các nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn. Ổ từ được coi là một trong những ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21.
Ổ từ được chia làm 3 loại: 1.1 Ổ từ bị động (PMB) Ổ từ bị động cấu tạo gồm nam châm vĩnh cửu và vật liệu sắt từ để dẫn từ thông[1-2]. Với loại ổ từ này, lực nâng rotor được tạo ra nhờ vào sự tác động giữa các khối nam châm vĩnh cửu có cực tính khác nhau. Chúng có thể được chế tạo ở dạng đẩy hoặc hút như Hình 1.3 Cấu tạo ổ từ bị động dạng đẩy Vì nguồn sinh lực từ trường đơn thuần chỉ là nam châm vĩnh cửu nên ổ từ bị động có cấu tạo đơn giản, không tiêu tốn năng lượng và cũng không cần bộ điều khiển để duy trì ổn định. 19 Tuy nhiên, ổ từ bị động có đặc tính cố định được thiết lập bởi kích thước và thiết kế cơ khí, nguồn tạo ra lực từ trường bởi nam châm vĩnh cửu không thể thay đổi.
Nên khả năng giảm chấn kém, khó có thể giữ ổn định vật với tải trọng thay đổi. Do đó, việc ứng dụng trong công nghiệp chỉ giới hạn trong các ứng dụng mà tải trọng không đổi hoặc có sẵn bộ giảm rung chấn, ví dụ vật thể bay được nhúng trong chất lỏng.2 Ổ từ chủ động (AMB) Ổ từ chủ động thông thường bao gồm các bộ phận là nam châm điện, bộ biến đổi công suất, cảm biến đo khoảng cách. Ổ từ chủ động làm việc dựa trên nguyên tắc điều chỉnh lực từ thông qua dòng điện (Hình 1. Ổ từ chủ động cho phép điều khiển hệ số cứng và hệ số tắt dần của ổ đỡ, do đó có thể điều chỉnh trạng thái động học của đối tượng trong suốt quá trình hoạt động.
Nhờ đó ổ từ chủ động có khả năng ổn định vị trí trục nâng mà không phụ thuộc tải, hấp thụ các lực không cân bằng trong hệ thống quay, giảm rung động và có khả năng giám sát trạng thái hoạt động thông qua hệ thống điều khiển [3-4].4 Cấu tạo ổ từ chủ động 1.3 Ổ từ kiểu lai (HMB) Ổ từ kiểu lai là ổ từ kết hợp ổ từ chủ động và ổ từ bị động [12]. Trong ổ từ kiểu lai có thành phần nam châm điện và nam châm vĩnh cửu kết hợp với nhau (Hình 1. Nam châm điện dùng để điều chỉnh lực từ thay đổi phù hợp với điều kiện làm việc và tải trọng động. Còn nam châm vĩnh cửu để bù lại tải tĩnh (như trọng lượng của rotor), làm tăng hệ số cứng và giảm năng lượng cần thiết cấp cho nam châm điện 20 [5-6].
Với những ưu điểm kết hợp của cả hai loại ổ từ chủ động và ổ từ bị động, ổ từ kiểu lai chính là đối tượng nghiên cứu của đề tài. Trong phần tiếp theo sẽ trình bày các nghiên cứu tổng quan về ổ từ kiểu lai.5 Cấu tạo ổ từ kiểu lai 1.2 Nghiên cứu tổng quan ổ từ kiểu lai Nghiên cứu về ổ từ kiểu lai thường tập trung vào hai hướng nghiên cứu chính, nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai và nghiên cứu về các phương pháp điều khiển ổ từ kiểu lai.1 Nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai Như thể hiện trong Hình 1.5 ở trên, lực từ tác dụng lên rotor sẽ phụ thuộc vào số lượng cực từ bố trí quanh rotor, phụ thuộc vào đường dẫn từ thông của nam châm điện và nam châm vĩnh cửu trong mạch từ khép kín giữa phần stator (gồm các cực từ) và rotor. Do vậy nghiên cứu về cấu trúc ổ từ kiểu lai sẽ nghiên cứu về số lượng cực từ và cách bố trí nam châm điện và nam châm vĩnh cửu trong cực từ của ổ từ kiểu lai.1 Số lượng cực từ Theo số lượng cực từ, ổ từ kiểu lai có ba loại chính là loại ổ từ kiểu lai 3 cực, loại 4 cực hoặc loại 8 cực (Hình 1. 21 3 cực 4 cực 8 cực Hình 1.6 Số lượng cực từ của ổ từ kiểu lai Loại ổ từ kiểu lai 3 cực có ưu điểm là nhỏ gọn, dễ chế tạo và số lượng bộ khuếch đại công suất ít.
Tuy nhiên lực nâng có phân bố không đối xứng, khó thực hiện việc tách kênh đường dẫn từ thông và có tính phi tuyến cao, vì vậy việc đảm bảo ổ từ kiểu lai 3 cực làm việc ổn định là rất khó khăn và thường đòi hỏi hệ điều khiển phức tạp [13-14]. Loại ổ từ kiểu lai 8 cực có phân bố lực nâng đối xứng và dễ dàng thực hiện điều khiển tách kênh nhưng lại có quá nhiều cực dẫn tới số lượng bộ khuếch đại công suất và tổn hao trong ổ từ cũng tăng. Để dung hòa cả giữa hai loại ổ từ kiểu lai trên thì ổ từ kiểu lai 4 cực đang được đẩy mạnh nghiên cứu [15-17] và hiện đang thu hút sự chú ý của nhiều hãng sản xuất (Synchrony, Mutecs).2 Cách bố trí nam châm điện và nam châm vĩnh cửu Cách bố trí nam châm điện và nam châm vĩnh cửu của ổ từ kiểu lai được thể hiện qua 3 dạng chính như sau: a) Dạng 1: Hình 1.7 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 1 22 Như mô tả trên Hình 1.7, cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 1 gồm một nam châm vĩnh cửu được bố trí chính giữa của 2 nam châm điện tạo ra cấu trúc cân xứng [18-21]. Lực từ được tạo ra bởi tổng hợp của từ thông của nam châm vĩnh cửu và nam châm điện đi qua khe hở không khí trong mạch từ khép kín giữa stator và rotor.
Tuy nhiên các đường từ thông đan xen cắt nhau qua tâm rotor dẫn đến khó điều khiển và tổn thất năng lượng từ trường.8 Cấu trúc ổ từ kiểu lai dạng 2 Dạng 2 có cấu trúc gần giống với dạng 1 (Hình 1.8), nhưng nam châm vĩnh cửu là một vòng tròn vì vậy tăng được lực từ bị động [22]. Ngoài ra rotor có cấu tạo rỗng nên giảm các đường từ thông cắt nhau qua tâm rotor. Tuy nhiên, từ hóa để tạo ra một vành nam châm vĩnh cửu như vậy là rất khó khăn và tốn chi phí. Các cực từ vẫn kết nối với nhau quanh vành tròn dẫn từ nên vẫn còn xen kênh từ thông từ cực này sang cực kia.
c) Dạng 3: Dạng 3 có cấu trúc như trong Hình 1.