CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1. Giới thiệu về động cơ tuyến tính 1.Giới thiệu chung về động cơ tuyến tính Động cơ truyền động thẳng (còn gọi là động cơ tuyến tính) về bản chất là động cơ xoay chiều quay thông dụng. Tuy nhiên chúng được thiết kế để tạo nên chuyển động tịnh tiến. Động cơ truyền động thẳng đang được phát triển trong nhiều ứng dụng.
Từ năm 1840 Charles Wheastone đã mô tả động cơ truyền động thẳng ở Viện Hoàng Gia London, tuy nhiên động cơ này chưa được triển khai trong thực tế. Năm 1905 Alfred Zehden ở Frankfurt-am-Main đã mô tả động có truyền động thẳng trong truyền động tàu điện, thang máy. Năm 1935 kỹ sư Đức Hermann Kemper đã xây dựng mô hình động cơ truyền động thẳng. Mãi đến năm 1947, Eric Laithwaite, một kỹ sư điện người Anh, đã sử dụng động cơ truyền động thẳng trong hệ thống truyền động máy dệt công nghiệp.
Nghiên cứu của Laithwaite đã được sự quan tâm của các nhà khoa học. Công trình này được Viện nghiên cứu Hoàng gia Anh công nhận vào những năm 60 của thế kỷ XX với tên gọi: Máy điện của tương lai. Động cơ tuyến tính có thể được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, dân dụng, quân sự và rất nhiều các ứng dụng cần kiểm soát lực, chiều và vị trí. Các ưu điểm chủ yếu của động cơ tuyến tính như sau: Động cơ tuyến tính tạo lực đẩy trực tiếp, không đòi hỏi cần bất cứ thiết bị chuyển đổi và hộp số do vậy có thể loại bỏ các khâu chuyển đổi trung gian, đơn giản hóa toàn bộ thiết bị hoặc hệ thống để đảm bảo độ tin cậy của các hoạt động, chi phí sản xuất thấp hơn và dễ dàng bảo trì.
Động cơ tuyến tính không phải chịu lực ly tâm như các động cơ quay, do đó, tốc độ tuyến tính của nó về mặt lý thuyết là không giới hạn. Động cơ tuyến tính tạo lực đẩy tuyến tính trực tiếp bởi năng lượng điện, do đó giảm đáng kể tổn thất năng lượng, không gây tiếng ồn v.Cấu tạo của động cơ tuyến tính Cấu tạo của động cơ tuyến tính như mô tả trên hình 1-1, trong đó stator bao gồm 9 cuộn dây tương ứng cho ba pha A,B và C. Các cuộn dây được cuốn để bao roto và tạo khe hở đủ nhỏ để roto có thể chuyển động được. Đường kính trong của các cuộn 3 download by : skknchat@gmail.com dây thông thường là từ 40 đến 70 mm.
Các cuộn dây được sắp xếp nối tiếp theo thứ tự của các pha. Cuộn dây ở giữa của mỗi pha sẽ được đảo ngược hướng và thể hiện bằng dấu nháy đơn (ví dụ A’). Mỗi cuộn dây được cuốn khoảng 200 vòng, tiết diện dậy được lựa chọn để dòng điện lớn nhất cỡ 8A. Hình 1-1 Cấu tạo của động cơ tuyến tính [2] Rotor của động cơ bao gồm các miếng đệm nhôm được sử dụng giữa các cặp nam châm để ghép các nam chân lại với nhau.
Điều này làm giảm cường độ từ thông vì nó tăng khoảng cách giữa các nam châm, nhưng nếu không sẽ rất khó gắn các nam châm lại do lực từ tạo ra giữa các cực nam châm đối lập. Miếng đệm nhôm có độ dày 6.35mm, đường kính ngoài 58mm, đường kính trong 40mm. Các nam châm và miếng đệm nhôm được gắn lại bởi lớp bọc ngoài. Các nam châm và miếng đệm được gắn trong ống với hướng NS-NS-SN-SN.
Các nam này sẽ được truyền lực từ của 9 cuộn dây như Hình 1-1. Toàn bộ phần này tạo nên kích cỡ của phần chuyển động roto có đường kính 64mm và chiều dài 108mm. Khi dán các cuộn dây với nhau, các lớp đệm để lại khoảng cách giữa các cuộn dây cho các dây dẫn đi từ trong ra ngoài. Các miếng đệm được cắt sao cho đường kính trong lớn hơn đường kính trong của cuộn dây và đường kính ngoài nhỏ hơn đường kính ngoài của cuộn dây.
Điều này cho phép các ống đồng trượt tự do qua các cuộn dây và cũng để lại phía ngoài các cuộn dây có vị trí thích hợp. Có 8 miếng đệm được sử dụng, bề mặt của miếng đệm được tạo xước để tăng độ bám dính. 4 download by : skknchat@gmail. Nguyên lý của làm việc của động cơ tuyến tính Nếu thực hiện trải dài động cơ quay tròn ta sẽ được động cơ truyền động thẳng (Xem Hình 1-1).
Nguyên lý làm việc của động cơ truyền động thẳng cũng giống như động cơ quay thông dụng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Lực Lorentz trong động cơ truyền động thẳng là lực đẩy tác động lên phần động theo phương tịnh tiến thay vì việc sinh ra mômen quay trong máy điện quay thông thường. Khi cho dòng điện xoay chiều vào dây quấn phần sơ cấp làm xuất hiện từ trường chạy trong khe hở giữa phần sơ và thứ cấp .Từ trường này quét qua các thanh dẫn của phần thứ cấp làm xuất hiện trong chúng sức điện động cảm ứng. Do dây quấn thứ cấp ngắn mạch nên sinh ra dòng điện ứng.
Từ trường chạy tác dụng với dòng điện phần ứng sinh ra lực điện từ có xu hướng kéo phần thứ cấp chạy cùng chiều từ trường. Vì thứ cấp cố định nên tạo ra phản lực có tác dụng đẩy phần sơ cấp chạy theo chiều ngược với từ trường[1]. Về cấu tạo động cơ truyền động thẳng có 3 loại: Loại stato ngắn (Hình 1-2a) Loại stator dài (Hình 1-2b) Loại stator răng lược (Hình 1-2c). Trong 3 loại trên thì loại stato ngắn được sử dụng nhiều hơn cả.
Phần tĩnh (stato) không còn ý nghĩa nữa mà là phần lấy năng lượng vào là phần sơ cấp còn phần ứng là phần thứ cấp. Cuộn dây nối với nguồn điện thường được đặt trên phần sơ cấp. Động cơ truyền động thẳng đồng bộ được sử dụng khi mạch từ là nam châm vĩnh cửu. Phổ biến hơn cả là động cơ truyền động thẳng không đồng bộ.
5 download by : skknchat@gmail.com Hình 1-2 Mô hình chuyển đổi động cơ quay sang động cơ truyền động thẳng[1] Hình 1-3 Các dạng cấu tạo của động cơ chuyển động thẳng [1] 1. Xây dựng mô hình của động cơ tuyến tính Động cơ tuyến tính sử (LBM) dụng điện áp 3 pha để điều khiển roto chuyển động và sinh ra lực. Để điêu khiển động cơ LBM ta cần xây dựng mô hình của động cơ dựa vào các phương trình động học mô tả động cơ. 6 download by : skknchat@gmail.com ua Mô hình động ub cơ tuyến tính Fe,, x uc (LBM) Hình 1-4.
Sơ đồ khối mô hình động cơ tuyến tính 1. Công cụ xây dựng mô hình Phép chuyển hệ trục tọa độ Điện áp cấp vào 3 pha sẽ sinh ra dòng điện trong các pha tương ứng, dòng điện trong 3 pha sinh ra để đẩy roto chuyển động. Ta có phương trình quan hệ giữa lực và dòng điện qua các pha.1) trong đó, C là một số chia được định nghĩa qua các phép biến đổi hình học phức tạp. Để đơn giản, C được lấy theo kinh nghiệm, có đơn vị A/N.
các dòng điện iA , iB , iC là các dòng điện tương ứng trong các cuộn dây, g1 là tần số dao động của sóng điều hòa cơ bản, g1 = 2p / l , với l là bước từ của động cơ. Độ dịch chuyển tương đối với stator được ký hiệu z 0 , và fzd là lực đẩy mong muốn. Sau khi khai triển ba phương trình, ta thu được như biểu thức (1.2) Trong phương trình (1.2) chỉ có C chưa biết. Để tìm ra một giá trị thích hợp cho C ta dùng thí nghiệm.
Giá trị dòng của 3 pha được điều chỉnh lệch 1200. Lực đầu ra được đo bằng một tải tại một số điểm từ vị trí cân bằng. Vì C tỷ lệ thuận với dòng điện, nên giá trị của nó rất quan trọng. Nếu giá trị của C không chính xác sẽ gây ra sai 7 download by : skknchat@gmail.com số khi điều khiển.
Do đó, C được lấy như giá trị trung bình qua các lần đo thực nghiệm. Mối quan hệ giữa dòng điện và lực đẩy Lực giữa nam châm và dòng điện trong một cuộn dây với bất kỳ vị trí nào được tính bằng cách sử dụng phương trình lực Lorentz.3) Do tính đối xứng trong hệ tọa độ trụ, từ thông giảm: (0.4) Thay vào ta được: (0.5) Với giả thiết nam châm sử dụng đặt ở trung tâm của trục các cuộn dây nên bỏ qua thành phần lực r , chỉ còn thành phần lực z .6) Mật độ dòng điện J có thể tính được bằng cách chia số vòng dây trong mỗi cuộn dây với diện tích mặt cắt ngang của cuộn dây. Vì vậy, để tìm lực chỉ cần xác định thành phần r. Đây là thành phần tạo ra bởi các nam châm và có thể được mô hình hoá bằng mật độ từ M, mật độ từ hoá này giả thiết đồng nhất theo trục z : M = Miz.
Tại khoảng trống không có phân bố mật độ dòng điện, theo định luật Ampere có: (0.7) Cường độ từ trường H được tính bằng: (0.8) Vì y là thành phần vô hướng nên từ thông B được tính: (0.9) 8 download by : skknchat@gmail.com Từ thông tổng được tính: (0.10) Vì các nam châm có cường độ từ thông bằng nhau do đó không có sự sai khác từ thông khi qua nam châm nên = 0. Như vậy, cường độ từ thông ở cuối bề mặt nam châm, mật độ điện tích bề mặt được tính bằng: (0.11) Theo biểu thức (1.10) từ thông vô hướng từ bất kỳ điểm nào trong không gian xung quanh nam châm được tính: (0.12) Tính lực theo phương z : (0.13) Phương trình (1.13) cho ta biểu thức lực theo phương z - hướng tạo ra lực tương tác của một nam châm với một cuộn dây. Phương trình này cũng tổng quát cho nhiều vị trí tương đối của nam châm và cuộn dây. Để tìm ra lực tổng của động cơ, ta tổng hợp lực tương tác của mỗi cuộn dây với nam châm vĩnh cửu.
Với giả thiết các nam châm có cường độ từ thông như nhau, các cuộn dây được quấn như nhau nên lực tương tác của mỗi nam châm với cuộn dây trong một thời điểm như nhau. Vì vậy, tổng lực được tính bằng ba lần lực của một cuộn dây gây nên. Tổng lực tác dụng của động cơ là hàm số của sự dịch chuyển tương đối của roto (các nam châm vĩnh cửu) và sator (các cuộn dây). 9 download by : skknchat@gmail.
Xây dựng mô hình giữa điện áp và lực cho động cơ tuyến tính dạng ống Để đơn giản, ta giả thiết như sau: Điện cảm các cuộn dây sator của động cơ là hằng số. Chiều dài của roto là vô hạn để bỏ qua các hiệu ứng đầu cuối.