Chương 1. Tổng quan chung về động cơ tự nâng stator không lõi thép. Xây dựng mô hình toán học động cơ tự nâng stator không lõi thép từ đó đề xuất cấu trúc điều khiển. Thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép.
Xây dựng mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép và thực nghiệm. Kết luận và kiến nghị. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP 1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa hai ổ từ ngang trục. Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x1, y1, x2 và y2 của trục quay của động cơ.
Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng z) được điều khiển bởi một ổ từ dọc trục. Các lực nâng trục được điều khiển bằng hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ luôn nằm chính giữa lõi stator. Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ từ có 6 bậc tự do [11]. So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng.
Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động cơ điện với ổ từ đang được tiến hành. Hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay là kết hợp chức năng giữa ổ từ ngang trục và động cơ điện [12÷20]. Các động cơ kiểu này sử dụng hai loại dây quấn, loại dây quấn có cùng số cực p so với rotor dùng để sinh ra mô men quay cho động cơ, loại dây quấn khác có số cực là p±2 dùng để sinh ra các lực nâng ngang trục. Đây là sự tích hợp về mặt cơ khí do đó mặc dù kích thước của động cơ sử dụng ổ từ có giảm nhưng cấu trúc của stator và hệ điều khiển vẫn phức tạp.
Số lượng bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng trong động cơ vẫn giữ nguyên do đó giá thành của động cơ ổ từ vẫn cao. Động cơ sử dụng ổ từ thông thường Hình 1. Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục Trong thời gian gần đây, sự kết hợp về điện giữa động cơ điện và ổ từ ngang trục đã được giới thiệu [14][20]. Động cơ này chứa 5 cuộn dây và có khả năng tạo ra lực nâng ngang trục và mô men quay đồng thời, còn các chuyển động nghiêng và chuyển động dọc trục của trục quay cần được ổn định nhờ các cơ cấu bên ngoài.
Kết quả là kích thước và số bộ biến đổi điện tử đã giảm. Nhược điểm chính của loại động cơ này là lực nâng và mô men quay có ảnh hưởng lớn đến nhau và có đặc tính phi tuyến 6 mạnh, do đó các phương pháp điều khiển phức tạp được yêu cầu để đạt được khả năng vận hành tin cậy. Một điểm đáng lưu ý nữa là các động cơ ổ từ kể trên đều hoạt động chủ yếu theo nguyên tắc cảm ứng, trong đó sự chuyển động được tạo ra là nhờ tương tác giữa từ trường của cuộn dây với nhau hoặc với từ trường ngoài. Kết quả của sự tương tác này là lực sinh ra sẽ tỷ lệ với bình phương dòng điện cấp cho cuộn dây và phụ thuộc nhiều vào khe hở không khí giữa stator và rotor (tỷ lệ nghịch).
Các mối quan hệ lực- dòng điện và lực - khoảng cách phi tuyến tính này và sự biến thiên lực cao là những lý do chính khiến cho các động cơ ổ từ trên đã không được thực hiện trước đây trong các hệ thống có độ chính xác cao. Các cơ cấu chấp hành điện từ lý tưởng phù hợp với mong muốn có độ chính xác cao thường là các cơ cấu chấp hành có mối quan hệ tuyến tính giữa lực và dòng điện, điều này có nghĩa là các hằng số của động cơ phải độc lập với sự thay đổi về vị trí, mức dòng điện, tốc độ, nhiệt độ, dung sai và môi trường [26÷28]. Các động cơ ổ từ dựa trên nguyên lý lực Lorentz lại chủ yếu dựa vào cường độ từ trường bên ngoài (thường được tạo ra bởi một các nam châm vĩnh cửu trên rotor) và độ lớn dòng điện trong các cuộn dây mang. Các cuộn dây được đặt trong khe hở không khí của từ thông ngoài.
Do đó, việc tạo ra lực từ chủ yếu dựa trên lực Lorentz trong các cuộn dây của ổ từ. Kết quả là các cơ cấu chấp hành theo nguyên lý lực Lorentz là gần giống đối với một cơ cấu chấp hành lý tưởng. Đây chính là ưu điểm nổi bật để có thể tạo động cơ ổ từ phù hợp với mong muốn cho các cơ cấu có yêu cầu độ chính xác cao [29÷45]. Loại động cơ ổ từ đầu tiên được giới thiệu theo nguyên lý lực Lorentz được mô tả như Hình 1.3a, b, c, trong đó động cơ và một ổ từ ngang trục được tích hợp với nhau để vừa sinh ra mô men quay vừa sinh lực nâng đồng thời [13].
Tuy nhiên bên cạnh cuộn dây stator có nhiệm vụ sinh ra mô men quay (Hình 1.3b) thì cần phải có thêm cuộn dây phụ để sinh ra lực nâng (Hình 1. Ngoài ra để đảm bảo khả năng sinh mô men và lực nâng tốt thì động cơ này phải sử dụng các tấm nam châm vĩnh cửu có độ dầy lớn. Điều này dẫn tới kích thước của động cơ khá lớn và tăng tổn hao do dòng xoáy trong các phiến nam châm của động cơ. Ngoài ra việc sử dụng phiến nam châm có độ dầy lớn cũng gây ra sự mất cân đối nghiêm trọng giữa việc sinh mô men và lực nâng: miếng nam châm càng dầy thì khả năng sinh mô men càng lớn nhưng lại làm tăng trở kháng cho đường dẫn từ thông sinh lực nâng dẫn tới khả năng sinh lực nâng giảm.
Nguyên lý sinh mô men c. Nguyên lý sinh lực nâng Hình 1. Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục theo nguyên lý lực Lorentz [29] 8 Để khắc phục các nhược điểm trên thì một phương án thiết kế động cơ ổ từ theo hướng này được giới thiệu trong [31÷37] thể hiện như Hình 1. Với một cấu trúc không quá phức tạp, động cơ ổ từ không răng rãnh được thiết kế dựa trên nguyên lý lực Lorentz có thể sinh đồng thời cả lực nâng lẫn mô men quay, trong đó các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí bên ngoài rotor và các cuộn dây stator được bố trí bên trong stator.
Cấu trúc này đã hạn chế được sự mất cân bằng giữa việc sinh mô men quay và lực nâng đo độ dầy của phiến nam châm. Kiểu thiết kế không răng rãnh cũng cho phép loại bỏ được hiện tượng đập mạch mô men do đó kiểu động cơ ổ từ này hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao như các ứng dụng định vị và các ứng dụng điều khiển chùm laser [34],[38]. Tuy nhiên hạn chế của loại động cơ này vẫn là sử dụng số lượng phiến nam châm nhiều (12 đôi cực) và khe hở không khí giữa stator và rotor lớn, điều này dẫn tới để đảm bảo khả năng sinh mô men và lực nâng đủ lớn thì kích thước động cơ cũng phải tăng. Động cơ tự nâng theo nguyên lý lực Lorentz không răng rãnh [34] Với mục tiêu xây dựng được động cơ ổ từ theo nguyên lý lực Lorentz có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ và giá thành thấp, Ueno và các cộng sự đã đề xuất được một loại động cơ mới có sơ đồ cấu trúc được mô tả như trong Hình 1.
Trong đó các cuộn dây được quấn rải trên stator không lõi thép và một cục nam châm hình trụ được bố trí ngoài rotor. Cả lực nâng lẫn mô men quay đều được sinh ra dựa trên sự tương tác giữa dòng điện trong cuộn dây stator và từ trường của nam châm vĩnh 9 cửu (nguyên lý lực Lorentz). Để tránh các hiện tượng gây ra bởi lực từ không cân bằng thì nam châm hình trụ cũng được gắn trên vỏ ngoài với khoảng cách cố định. Tuy nhiên kiểu động cơ này mới chỉ dừng lại ở mức xây dựng mô hình nguyên lý để thử nghiệm khả năng sinh mô men quay và lực nâng cho hướng x1 và y1, còn phía x2 và y2 đang bị hạn chế bởi vòng bi cơ thông qua một trục dài.
Như vậy với các ưu điểm nổi bật là mật độ công suất lớn, dao động mô men thấp, mặt cắt stator mỏng và các hằng số lực và mô men là tuyến tính, động cơ tự nâng không lõi thép có khả năng mở ra hướng ứng dụng tốt cho công nghiệp. Do vậy hướng nghiên cứu phát triển hoàn thiện loại động cơ này để có thể dùng được cho các ứng dụng cụ thể là thực sự cần thiết. Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz [42] 1.2 Tổng quan về động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz 1.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép Động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) là động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu stator không lõi thép, có chức năng đồng thời tạo mô men quay lẫn lực nâng. Mô hình động cơ TNSKLT được trình bày trên Hình 1.
Cấu trúc của động cơ tự nâng stato không lõi thép gồm ba phần chính là stator, rotor và tải. Do rotor động cơ được treo, trục Z (thẳng đứng) được cố định, chiều ngang rotor X-Y được thả lỏng, vì vậy nghĩa tự nâng ở đây được hiểu là lực đẩy rotor theo hai chiều X-Y. Nguyên lý cấu tạo cụ thể: 10 Giá đỡ nhôm TẢI Cuộn dây Rotor Khung nhựa stator Vỏ sắt S N Hình 1.6 Mô hình động cơ tự nâng stator không lõi thép a) Rotor Cấu trúc của rotor được trình bày như Hình 1.7, cấu trúc này có một số đặc điểm như sau: - Nam châm hai cực hình trụ tròn đều giống như rotor động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu SPMM (Surface Permanent Magnet Motor). - Vỏ sắt bao quanh stator quay cùng rotor để tạo mạch dẫn từ.
- Đế nhôm kết nối các thành phần của động cơ để cách từ. - Khoảng cách của khe hở không khí giữa nam châm và vỏ sắt là không đổi nhằm đảm bảo một từ trường ổn định trong động cơ. Rotor động cơ không có ổ bi khe hở không khí giữa stator và rotor được giữ không đổi là do lực nâng ngang trục. - Trục rotor được nối với tải thí nghiệm bằng khớp nối mềm.