Đề tài Nghiên cưú hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng các bộ treo Từ Tính

Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Hầu hết trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng như đối với môi trường có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không và phải được thay thế định kỳ , nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động s ử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay , cuô ̣ c ca ́ ch ma ̣ ng khoa ho ̣ c kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão , không ngư ̀ ng vươn tới những đỉnh cao mơ ́ i , trong đo ́ co ́ như ̃ ng tha ̀ nh tư ̣ u vê ̀ ky ̃ thuâ ̣ t tư ̣ đô ̣ ng ho ́ a sa ̉ n xuâ ́ t . Việc sử dụng hệ truy ền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ v ới các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Phần quan trọng của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có tính p hi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian chưa được nghiên cứu và phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển thích nghi bền vững cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ treo từ tính là cấp thiết. Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính

pdf104 trang | Chia sẻ: ttlbattu | Lượt xem: 1904 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Nghiên cưú hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng các bộ treo Từ Tính, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH TRẦN THỊ THANH NGA THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH Học viên : Trần Thị Thanh Nga Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Như Hiển THÁI NGUYÊN 2009 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh sách các kí hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Nội dung Trang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1 1.1 Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1 1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ 1 1.1.2 Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính 4 1.1.3 Giới thiệu cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ được trang bị các ổ đỡ từ tính. 5 1.1.4 Giới thiệu hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 7 1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc 8 1.1.6 Cấu trúc của cuộn dây 15 1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ 16 1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp của động cơ và máy phát kiểu treo từ tính 17 1.2 Một số công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển các hệ phi tuyến 18 1.3 Các công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển ổ từ 19 KẾT LUẬN 21 CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 22 2.1 Mô hình toán học của bộ treo từ tính 22 2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ 22 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.2 Các mối quan hệ cơ bản 24 2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai 27 2.1.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 28 2.1.5 Ổ từ chịu tải hướng tâm (ổ đỡ từ) 29 2.1.6 Mô tả toán học ổ đỡ từ 31 2.2 Các tính chất điều khiển được của bộ treo từ tính 36 2.2.1 Lực kéo không cân bằng 36 2.2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản 36 2.2.1.2 Phép phân tích trong lõi từ hình C và lõi từ hình chữ I 37 2.2.1.3 Phép phân tích trong ổ đỡ từ 38 2.2.2 Các nguyên tắc điều khiển ổ đỡ từ một kênh 39 KẾT LUẬN 42 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 43 3.1 Thiết kế các bộ điều khiển PID 43 3.1.1 Một vài nét về thuật toán điều chỉnh PID 43 3.1.2 Cấu trúc chung của hệ điều khiển tự động 43 3.1.2.1 Thành phần tỷ lệ 45 3.1.2.2 Thành phần tích phân 45 3.1.2.3 Thành phần vi phân 46 3.1.3 Hệ giảm chấn - khối lượng – lò xo tương đương 47 3.1.4 Điều chỉnh của các hệ số khuyếch đại PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) 50 3.1.4.1 Điều chỉnh hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 54 3.1.4.2 Sai số vị trí ở trạng thái ổn định và điều chỉnh hệ số khuyếch đại tích phân 56 3.2 Thiết kế bộ điều khiển nâng cao - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai F-PID 61 3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển mờ 61 3.2.2 Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 62 3.2.3 Nguyên lý điều khiển mờ 65 3.2.4 Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 66 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.2.5 Các bộ điều khiển mờ 70 3.2.5.1 Các bộ điều khiển kinh điển 70 3.2.5.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 71 3.2.5.3 Bộ điều khiển mờ động 74 3.2.5.4 Hệ điều khiển mờ lai (F - PID) 79 a. Giới thiệu chung 79 b. Các dạng hệ mờ lai phổ biến 81 3.2.5.5 Tổng hợp hệ điều khiển mờ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển 82 3.3 Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 84 3.3.1 Mô phỏng với bộ điều khiển PID 84 3.3.2 Mô phỏng với bộ điều khiển nâng cao 85 KẾT LUẬN 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1 Hình 1.1 Sự tạo ra lực từ hƣớng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng 3 Hình 1.2 Sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc 4 Hình 1.3 Động cơ với các ổ đỡ từ 6 Hình 1.4 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 8 Hình 1.5 Hình dạng cơ bản của ổ đỡ từ 8 Hình 1.6 Bộ treo chủ động theo 2 trục: a.điểm đỡ trục tại đáy b. không có tiếp xúc 9 Hình 1.7 Những biến đổi hệ treo tác dụng theo 5 phƣơng a. Rotor bên trong b. Rotor ngoài c. Rotor rỗng d. không gian lắp đặt tải nằm giữa trục 10 Hình 1.8 Sự kết hợp với ổ đỡ từ và ổ đỡ cơ khí thông thƣờng a. với ổ đỡ từ thông thƣờng b. với ổ đỡ cơ khí thông thƣờng c. với trục quay dài 11 Hình 1.9 Một số hình ảnh ổ đỡ từ truyền thống 12 CHƢƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ 22 Hình 2.1 Hệ thống từ treo 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.2 Lõi từ C và lõi từ hình chữ I với một cuộn cảm 24 Hình 2.3 Mạch từ hoá 26 Hình 2.4 Cơ cấu điều chỉnh vi sai 28 Hình 2.5 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 29 Hình 2.6 Ổ đỡ từ chịu tải hƣớng tâm 30 Hình 2.7 Mối quan hệ giữa lực hƣớng tâm và dòng điện 32 Hình 2.8 Mối quan hệ tuyến tính của lực hƣớng tâm với dòng điện phân cực 33 Hình 2.9 Sơ đồ cách thức điều khiển dòng điện 34 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống từ treo sử dụng năng lƣợng từ theo một phƣơng 34 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc rút gọn 35 Hình 2.12 Lực từ kéo (hấp dẫn) và kích thƣớc khe hở: (a) kích thƣớc khe hở rộng, (b) kích thƣớc khe hở đƣợc giảm xuống 37 Hình 2.13 Hệ thống treo tƣ̀ tính theo phƣơng x 39 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH 43 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 44 Hình 3.2 Hệ thống giảm chấn - khối lƣợng – lò xo a. Sơ đồ cấu tạo b. Sơ đồ khối 47 Hình 3.3 Hệ thống treo từ tƣơng đƣơng với hệ thống giảm chấn-khối lƣợng – lò xo 49 Hình 3.4 Hình 3.4 a. Hình 3.4 b Đáp ứng chuyển vị tƣơng ứng với lực nhiễu 1N Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kp Mối quan hệ đáp ứng với chuyển vị Kd 52 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.4 c. Hình 3.4 d. Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kp Mối quan hệ đáp ứng tần số chuyển vị với Kd 53 54 Hình 3.5 Các hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 55 Hình 3.6 Đáp ứng chuyển vị đối với các hệ số khuyếch đại PD tối ƣu hoá. 56 Hình 3.7 Bộ điều khiển PID: (a) sơ đồ khối; (b) các đặc tính tần số 57 Hình 3.8 Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí 58 Hình 3.9 Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID 59 Hình 3.10 Đáp ứng chuyển vị đối với Ki 60 Hình 3.11 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63 Hình 3.12 Hệ thống điều khiển mờ 65 Hình 3.13 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ 67 Hình 3.14 Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ 72 Hình 3.15 Đƣờng đặc tính y(x) cho trƣớc 74 Hình 3.16 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. 74 Hình 3.17 Hệ điều khiển mờ theo luật I 75 Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI 75 Hình 3.18a Mô hình điều khiển mờ theo luật PI 76 Hình 3.19 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 76 Hình 3.20a Bộ điều khiển mờ theo luật PID(dùng thuật toán chỉnh định PID mờ) 77 Hình 3.20b Bộ điều khiển mờ theo luật PI (dùng thuật toán PID tốc độ) 78 Hình 3.21 Hệ điều khiển mờ PID 78 Hình 3.22a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 80 Hình 3.22b Hệ mờ với bộ mờ cho tín hiệu chủ đạo x 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.23 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 81 Hình 3.24 Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 82 Hình 3.25 Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào 83 Hình 3.26 Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra 83 Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai 83 Hình 3.28 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ. 84 Hình 3.29 Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển 85 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x của ổ từ có sử dụng bộ PID kinh điển 85 Hình 3.31 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID 86 Hình 3.32 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID 86 Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng bộ PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID 87 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phƣơng x có sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã được phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ưu thế vượt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều như: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dưỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Hầu hết trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng như đối với môi trường có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng được trong các điều kiện như chân không và phải được thay thế định kỳ, nhiệt độ khí quyển quá cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dược phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng được chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh, cần phải được thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất. Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bước tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép khắc phục những nhược điểm của các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ với các ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phương pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Phần quan trọng của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là bộ điều khiển. Hiện nay các bộ điều khiển cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Thực tế này là do động lực học của các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính có tính phi tuyến cao và các phương pháp thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ phi tuyến (bao gồm các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính) chịu tác dụng của nhiễu ngoại sinh và chứa các tham số thay đổi theo thời gian chưa được nghiên cứu và phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên triển hoàn thiện để có thể ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển thích nghi bền vững cho các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Vì vậy nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển chất lượng cao cho một số hệ phi tuyến bao gồm các bộ treo từ tính là cấp thiết. Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả Trần Thị Thanh Nga LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ 1.1. Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ Khái niệm về ổ từ đã có từ hơn 100 năm trƣớc, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc ứng dụng và phát triển trong công nghiệp . Ý tƣởng về việc treo một đối tƣợng bằng từ trƣờng đã đƣợc đặt ra từ giữa những năm 1800. Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế đã trở lên hiện thực từ những năm 1960. Do sƣ̣ phát triển trong công nghệ điều khiển , cả về phần cứng lẫn phần mềm đã tạo cơ hội cho việc sƣ̉ dụng ổ tƣ̀ trong công nghiệp phát triển nhƣ làm giảm kích cỡ , độ phức tạp cũng nhƣ giá thành của nó. Vào những năm cuối của thập kỉ 80, khái niệm mới về ổ đỡ không tiếp xúc đã đƣợc đƣa vào công nghệ truyền động động cơ không đồng bộ. Từ đó đến nay, lí thuyết và kiến thức cơ bản về khái niệm này đã đƣợc nghiên cứu cùng với rất việc phát triển nhiều truyền động thử nghiệm với mục đích thu thập kinh nghiệm về sự hoạt động và hành vi của nhiều loại truyền động động cơ không đồng bộ ổ đỡ không tiếp xúc. Công nghệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ đã đƣợc phát triển và có phạm vi áp dụng rộng kể từ thập niên 70 bởi những ƣu thế vƣợt trội của nó so với truyền động động cơ một chiều nhƣ: hiệu suất cao; gọn; nhẹ; có yêu cầu bảo trì thấp và giá thành động cơ rẻ. Sự tăng lên về công suất và tốc độ quay của động cơ không đồng bộ càng làm mở rộng phạm vi ứng dụng của loại động cơ này. Một hạn chế không tránh khỏi trong chế độ bảo dƣỡng đối với truyền động động cơ không đồng bộ là việc bôi trơn và thay thế ổ đỡ. Các ổ đỡ có thể gây ra vấn đề lớn cho các ứng dụng truyền động động cơ trong khoảng không gian xung quanh cũng nhƣ đối với môi trƣờng có chứa các chất độc hại hoặc bị nhiễm xạ. Hơn nữa, dầu bôi trơn không thể dùng đƣợc trong các điều kiện nhƣ chân không, nhiệt độ khí quyển quá LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 cao hoặc quá thấp, hoặc trong các dây chuyền thực phẩm và dƣợc phẩm. Do đó, các “bộ treo” từ tính có thể mở rộng phạm vi ứng dụng . Hầu hết yêu cầu về bảo dƣỡng trong một truyền động công nghiệp đều liên quan đến các ổ đỡ cơ khí. Các hệ truyền động sử dụng ổ đỡ cơ khí không phù hợp trong các thiết bị máy quay đòi hỏi tốc độ cao, yêu cầu độ chính xác cao, phải dùng đƣợc chất bôi trơn do có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phần chuyển động và phần tĩnh. Dầu bôi trơn phải đƣợc thay thế định kỳ. Ổ đỡ cũng cần phải đƣợc thay thế định kì với yêu cầu phải tháo phần thân của động cơ. Nếu nhƣ trục đƣợc treo bởi một lực từ, những yêu cầu bảo hành này sẽ không cần thiết. Do vậy tiến tới sử dụng “ổ đỡ không tiếp xúc” có nhiều ƣu thế cho ngƣời sử dụng động cơ. Các hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ đƣợc bào mòn do ma sát) gia công đối với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Cũng cần chú ý rằng bộ treo từ tính yêu cầu thời gian cắt mẫu ngắn một cách cân xứng với truyền động động cơ. Yêu cầu này là do bộ treo từ tính không ổn định một cách cố hữu do đó cần thiết có các bộ điều khiển vi sai hoặc điều khiển sớm phase để thực hiện hệ thống treo từ tính ổn định. Để đạt đƣợc giới hạn phase tại tần số cắt cần phải có tần số cắt mẫu nhanh. Yêu cầu về tần số cắt mẫu phụ thuộc vào quán tính cơ khí và sự khó khăn trong thiết kế. Động cơ ổ đỡ không tiếp xúc thƣờng tận dụng lợi thế của từ trƣờng tạo ra bởi dòng điện trong cuộn dây của động cơ. Do đó, có đƣợc thông tin về từ trƣờng quay này là rất quan trọng. Các bộ điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển véc tơ cung cấp sự điều chỉnh mô men tức thời cũng nhƣ điều chỉnh từ trƣờng quay. Do đó vị trí góc quay và cƣờng độ từ trƣờng có thể điều chỉnh đƣợc. Dựa trên vị trí góc và cƣờng độ từ trƣờng của động cơ, các lực hƣớng tâm đƣợc phát ra bởi sự tạo thêm các từ trƣờng sử dụng dòng điện cuộn dây của bộ treo. Do vậy có thể nói rằng công nghệ ổ đỡ không tiếp xúc đứng trên lí thuyết điều khiển véc tơ. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ổ đỡ từ tƣơng tự nhƣ một động cơ điện . Tuy nhiên, thay vì tạo ra momen xoắn để quay rôtor nhƣ ở động cơ điện , nó tạo ra một lực để treo ngõng trục trong lòng ổ. Khoảng cách giữa ngõng trục và lót ổ thông thƣờng khoảng 0,5-2 mm Hình vẽ 1.1 chỉ ra các nguyên lý sự phát ra lực hƣớng tâm roto của hai trƣờng hợp động cơ ổ đỡ không tiếp xúc và động cơ ổ đỡ từ tính. Một trục quay sẽ đƣợc bao bọc bởi lõi của stato. Roto và stato đƣợc từ hóa bởi bốn cực từ theo trình tự bắc, nam, bắc, nam. Có những lực hấp dẫn từ tính rất mạnh giữa lõi của roto và lõi của stato bên dƣới các cực từ này. Trong hình 1.1a, 4 cực từ có cùng mật độ từ thông và do đó có cùng biên độ lực hấp dẫn . Nhƣ vậy là, tổng vector của 4 lực hƣớng tâm này bằng 0. Ngƣợc lại, trong hình 1.1b một cực từ bắc thì mạnh hơn so với ba cực từ còn lại nên nó có lực hƣớng tâm mạnh hơn. Sự phân bố mật độ từ thông khe hở không cân bằng này dẫn đến lực từ hƣớng tâm sẽ tác động vào roto. Trong trƣờng hợp này, lực hƣớng tâm roto tác động vào roto từ phía tay phải. Trong cả 2 trƣờng hợp động cơ có ổ đỡ từ tính và động cơ không ổ đỡ, lực hƣớng tâm roto đƣợc tạo bởi trƣờng điện từ không cân bằng tức là lực hƣớng tâm Hình 1.1 - Sự tạo ra lực từ hướng tâm bởi mật độ từ thông khe hở không cân bằng: a. mật độ từ thông khe hở cân bằng b. mật độ từ thông khe hở không cân bằng LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 roto đƣợc tạo ra bởi sự khác biệt của lực hƣớng tâm dƣới các cực từ. Lực hấp dẫn thì không ổn định vì nó sẽ mạnh hơn lên nếu nhƣ roto dịch chuyển theo chiều của lực. Điểm lực hƣớng tâm bằng 0 tại trọng tâm của nòng stato là một điểm không ổn định, do đó cần thiết có phản hồi âm. Ứng dụng công nghệ truyền động lực treo từ tính trong tàu điện đệm từ của Nhật, lực treo từ tính đƣợc tạo ra bởi sự tƣơng tác giữa từ thông của cuộn dây siêu dẫn và dòng điện của cuộn dây cảm ứng. Có nghĩa là không cần thiết một bộ điều khiển phản hồi âm. Trong một vài ứng dụng của bánh đà, vật liệu siêu dẫn đƣợc sử dụng nhƣ là các ổ đỡ từ tính. Những cuộn dây hoặc vật liệu siêu dẫn này cung cấp một đệm từ ổn định. Tuy nhiên giá thành thì tƣơng đối cao bởi chúng cần đến một hệ thống làm lạnh và cách nhiệt. Ngày nay, yêu cầu đối với các giải pháp cho các thiết bị lực từ tính hấp dẫn của bộ treo từ tính cần phải đơn giản, trọng lƣợng nhỏ, rẻ tiền. 1.1.2. Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính Việc sử dụng hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính là một trong những bƣớc tiến quan trọng của ngành cơ khí, cho phép giảm tổn hao và tăng độ chính xác (nhờ loại trừ đƣợc bào mòn do ma sát) gia công đối với các trục chính cao tốc. Tuy nhiên, các lợi thế này buộc chúng ta phải có khả năng áp dụng, cài đặt và thiết kế các phƣơng pháp điều khiển ổ đỡ phù hợp. Hình 1.2 - Sơ đồ tượng trưng của một hệ truyền động không tiếp xúc LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Hình 1.2 là sơ đồ tƣợng trƣng của một hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính. Về nguyên lý, ổ đỡ bao gồm 2 phần chính: phần chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc tịnh tiến
Tài liệu liên quan