NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM ĐIỆN TỪ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM ĐIỆN TỪ TRONG
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

Họ và tên sinh viên : TRƯƠNG ANH TUẤN
NGUYỄN THÀNH LONG
Ngành : CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa : 2009 – 2013

Tháng 06/2013


NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỆM ĐIỆN TỪ
TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH

Tác giả

TRƯƠNG ANH TUẤN
NGUYỄN THÀNH LONG

Khóa luận được đề trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện tử

Giáo viên hướng dẫn:
TS. Vương Thành Tiên
ThS. Nguyễn Tấn Phúc

Tháng 6 năm 2013

i


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống đệm điện từ đã được biết đến từ thế kỷ 19 và luôn được quan tâm phát
triển không ngừng nhằm phục vụ cho ứng dụng của nhân loại trong nhiều lĩnh vực
công nghiệp trên thế giới. Cùng với các ưu điểm vượt trội như không ma sát, đạt tốc
độ rất cao, an toàn, chính xác, không tiếng ồn, tuổi thọ cao và chi phí bảo trì thấp…
Nó đã tạo ra một bước tiến vượt bậc cho nhân loại trong các ngành công nghiệp khác
nhau như ứng dụng trong xe đệm điện từ, động cơ tuyến tính, các ổ bi từ, trong tên lửa,
trong các loại máy bơm, máy phân loại…vv. Nhờ sớm tiếp cận phát triển để đưa đệm
điện từ vào các ứng dụng thực tiễn mà một số nước trên thề giới đã có được rất nhiều
thành công điển hình như Đức, Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản…Tại Việt Nam đệm điện
từ được biết đến như một lĩnh vực còn khá mới mẽ, tuy đã có nhiều nghiên cứu nhưng
việc ứng dụng trong thực tiễn vẫn còn là một vấn đề khác.
Do nhận thấy tài liệu về đệm điện từ vẫn còn rất ít và rời rạc, nếu có thì chủ yếu
là tài liệu tiếng nước ngoài. Đề tài này tổng hợp các sách giáo khoa, các bài báo nhằm
hệ thống một cách chi tiết có thể về đệm điện từ, cụ thể là cấu tạo, nguyên lý hoạt
động và các ứng dụng quan trọng của nó. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng khảo sát tính ổn
định của 1 mô hình động cơ tuyến tính hiện có và phát triển nó theo hướng điều khiển
thay đổi vận tốc của mô hình động cơ tuyến tính. Với kết quả đạt được của đề tài này
tác giả mong muốn sẽ khắc phục phần nào vấn đề khó khăn tài liệu về đệm điện từ cho
các nghiên cứu ứng dụng về sau, hy vọng nó sẽ là một tài liệu tham khảo bổ ích cho
các học viên muốn tìm hiểu về sau.
Đề tài này gồm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Kết quả khảo sát lý thuyết - tổng quan về đệm điện từ.

Chương 3: Nội dung và phương pháp điều tra thực nghiệm.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm – phát triển mô hình động cơ tuyến tính.
Chương 5: Kết luận và đề nghị.
Trong quá trình hoàn thành khóa luận do còn hạn chế một số mặt nên không
tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy (cô)
giáo và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn.
ii


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học lớp đại học khoá 2009 tại Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ
Chí Minh tôi được tiếp cận một cách có hệ thống các kiến thức khoa học tiên tiến hiện
đại của ngành cơ điện tử. Kết thúc khoá học tôi được giao đề tài: “Nghiên cứu ứng
dụng đệm điện từ trong điều khiển động cơ tuyến tính” là một đề tài về lĩnh vực khá
hấp dẫn hiện nay.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Vương Thành Tiên và thầy ThS. Nguyễn
Tấn Phúc đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành
nhiệm vụ học tập và nghiên cứu đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy (cô) giáo đã giảng dạy, các thầy (cô) giáo
trong bộ môn cơ điện tử, cán bộ thư viện Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh
đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành đề tài.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, gia đình đã khích lệ động viên
tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

iii


MỤC LỤC
cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành.......................................................................................i
Cơ Điện tử....................................................................................................................i

Giáo viên hướng dẫn:....................................................................................................i
TS. Vương Thành Tiên..................................................................................................i
ThS. Nguyễn Tấn Phúc.................................................................................................i
Tháng 6 năm 2013........................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................iii
Sau thời gian học lớp đại học khoá 2009 tại Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh tôi
được tiếp cận một cách có hệ thống các kiến thức khoa học tiên tiến hiện đại của ngành cơ
điện tử. Kết thúc khoá học tôi được giao đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng đệm điện từ trong
điều khiển động cơ tuyến tính” là một đề tài về lĩnh vực khá hấp dẫn hiện nay.................iii
MỤC LỤC...................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH.............................................................................................xii
Chương 1:..................................................................................................................... 1
GIỚI THIỆU................................................................................................................1
1.1 Giới thiệu về đệm điện từ.................................................................................................................1
1.2 Mục tiêu của đề tài...........................................................................................................................2

Chương 2:..................................................................................................................... 3
KẾT QUẢ KHẢO SÁT LÝ THUYẾT - TỔNG QUAN VỀ...........................................3
ĐỆM ĐIỆN TỪ............................................................................................................3
2.1 Tóm tắt về đệm điện từ....................................................................................................................3
2.2 Giới thiệu ngắn về DC EMLS (DC ElectroMagnetic Levitation System)............................................5

Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ........................................................6
Hình 2.3: Khoảng cách so với lực (đối với dòng liên tục) giữa nam châm và vật chất.......7
2.2.1 Hệ thống truyền động - chấp hành (Actuator)..........................................................................7

Hình 2.4: Sơ đồ đơn giản hóa của hệ thống đệm điện từ DC............................................8
Hình 2.5: Sự khác nhau về hình dạng của các hệ thống treo.............................................9
2.2.2 Cảm biến vị trí (Position Sensor)...............................................................................................9

2.2.3 Bộ điều khiển (Controller).......................................................................................................10

iv


2.2.4 Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier)............................................................................11
2.3 Ứng dụng của đệm điện từ.............................................................................................................11
2.3.1 Ứng dụng trong tàu đệm từ.....................................................................................................12
2.3.1.1 Giới thiệu tàu đệm từ (maglev Transrapid)......................................................................12

Hình 2.6: Tàu điện từ lực (EMS) và tàu đệm điện động lực (EDS)...................................15
2.3.1.3 Hệ thống hỗ trợ và đường dẫn.........................................................................................16

Hình 2.7: Mô đun hỗ trợ và đường dẫn...........................................................................17
Hình 2.8: Cấu trúc đường dẫn........................................................................................17
2.3.1.4 Phương tiện vận chuyển hành khách và hàng hóa tối ưu nhất.......................................18

Hình 2.9: Các toa tàu đệm từ cao tốc..............................................................................18
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật toa tàu...............................................................................19
2.3.1.5 Hệ thống lực đẩy...............................................................................................................19

Hình 2.10: Mô tả lực đẩy khi tàu đệm từ cao tốc hoạt động.............................................20
2.3.1.6 Hệ thống điều khiển.........................................................................................................20

Hình 2.11: Hệ thống điều khiển maglev Transrapid.........................................................21
2.3.1.7 Đường dẫn........................................................................................................................21

Hình 2.12: Các hệ thống đường dẫn maglev Transrapid...................................................22
Hình 2.13: Bộ phận chuyển hướng.................................................................................23
2.3.1.8 Nhận xét............................................................................................................................24

2.3.2 Ứng dụng trong vòng bi từ......................................................................................................24

Hình 2.15: Ổ bi từ trường..............................................................................................24
2.3.2.1 Khái niệm..........................................................................................................................25
2.3.2.2 Cấu tạo..............................................................................................................................25

Hình 2.16: Cấu tạo của ổ bi từ trường.............................................................................26
2.3.2.3 Nguyên lý hoạt động.........................................................................................................26

Hình 2.19: Động cơ tuyến tính.......................................................................................30
2.3.3.1 Vài nét lịch sử:...................................................................................................................30
2.3.3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ tuyến tính:.................................................................31

Hình 2.20: Nguyên lý động cơ tuyến tính.......................................................................31
2.3.3.3 Cấu tạo chung của động cơ tuyến tính:...........................................................................32

Hình 2.21: Cấu tạo động cơ tuyến tính...........................................................................32
2.3.3.4 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ tuyến tính:...........................................................33
2.3.3.5 Những ứng dụng của động cơ truyền động thẳng..........................................................33

v


Chương 3:..................................................................................................................... 35
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRA THỰC NGHIỆM...................................35
3.1 Thời gian địa điểm làm đề tài.........................................................................................................35
3.2 Đối tượng nghiên cứu và thiết bị hỗ trợ........................................................................................35
3.2.1 Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................................35
3.2.2 Thiết bị hỗ trợ nghiên cứu.......................................................................................................35
3.3 Phương pháp thực hiện..................................................................................................................35

3.3.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí.......................................................................................35
3.3.2 Phương pháp thực hiện phần mạch điện...............................................................................36
3.3.3 Phương pháp thực hiện phần chương trình...........................................................................36

Chương 4:..................................................................................................................... 37
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - PHÁT TRIỂN...................................................................37
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH..........................................................................37
4.1 Thiết kế phần cơ khí........................................................................................................................37
4.1.1 Mô hình chung.........................................................................................................................37

Hình 4.1: Mô hình chung phần cơ khí............................................................................37
4.1.2 Phần sơ cấp..............................................................................................................................38

Hình 4.2: Phần sơ cấp....................................................................................................38
4.1.3 Phần thứ cấp (phần tĩnh).........................................................................................................40

Hình 4.3: Phần thứ cấp..................................................................................................40
4.1.4 Cảm biến..................................................................................................................................40

Hình 4.4: Cảm biến Hall AH 175-PL..............................................................................40
Bảng 4.1: Trạng thái cảm biến, cực từ cuộn dây trên suốt quãng đường di chuyển............42
Bảng 4.2: Bố trí tương đối cực từ nam châm vĩnh cửu trên phần stator.............................43
4.2 Thiết kế phần mạch điện................................................................................................................44
4.2.1 Sơ đồ chung các khối mạch.....................................................................................................44

..................................................................................................................................... 44
Hình 4.5: Sơ đồ chung khối mạch..................................................................................44
4.2.2 Mạch nguồn.............................................................................................................................44

Hình 4.6: Mạch nguyên lý mạch nguồn..........................................................................45

4.2.3 Mạch VDK PIC16F877A............................................................................................................45

..................................................................................................................................... 46
Hình 4.7: Mạch nguyên lý mạch VDK PIC16F877A......................................................46
vi


4.2.4 Mạch cầu H...............................................................................................................................46

..................................................................................................................................... 47
Hình 4.8: Mạch nguyên lý mạch cầu H...........................................................................47
4.3 Thiết kế phần chương trình............................................................................................................47
4.3.1 Lưu đồ giải thuật......................................................................................................................47
4.3.2 Viết chương trình điều khiển...................................................................................................49
4.4 Hiệu chỉnh mô hình và chạy thử.....................................................................................................49

Bảng 4.3: Kết quả hiệu chỉnh cảm biến và cuộn dây........................................................49
4.5 Chạy khảo nghiệm mô hình và kết quả nghiên cứu.......................................................................49
4.5.1 Chạy khảo nghiệm mô hình.....................................................................................................49
4.5.2 Kết quả nghiên cứu..................................................................................................................50

Biểu đồ 4.1: So sánh vận tốc PWM 100%......................................................................51
Biểu đồ 4.2: So sánh vận tốc PWM 80%........................................................................52
Biểu đồ 4.3: So sánh vận tốc PWM 60%........................................................................52
Chương 5:..................................................................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...........................................................................................54
5.1 KẾT LUẬN............................................................................................................54
5.2 ĐỀ NGHỊ................................................................................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................56
Tài liệu tham khảo các sách:..........................................................................................56

PHỤ LỤC..................................................................................................................... 1
Phụ lục 4.1...............................................................................................................................................1
Phụ lục 4.2...............................................................................................................................................2
Phụ lục 4.3...............................................................................................................................................5
Phụ lục 4.5...............................................................................................................................................8

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành.......................................................................................i
Cơ Điện tử....................................................................................................................i
Giáo viên hướng dẫn:....................................................................................................i
TS. Vương Thành Tiên..................................................................................................i
ThS. Nguyễn Tấn Phúc.................................................................................................i
Tháng 6 năm 2013........................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................iii
Sau thời gian học lớp đại học khoá 2009 tại Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh tôi
được tiếp cận một cách có hệ thống các kiến thức khoa học tiên tiến hiện đại của ngành cơ
điện tử. Kết thúc khoá học tôi được giao đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng đệm điện từ trong
điều khiển động cơ tuyến tính” là một đề tài về lĩnh vực khá hấp dẫn hiện nay.................iii
MỤC LỤC...................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC HÌNH
.....................................................................................................................................
viii
Chương 1:..................................................................................................................... 1
GIỚI THIỆU................................................................................................................1
1.1 Giới thiệu về đệm điện từ.................................................................................................................1
1.2 Mục tiêu của đề tài...........................................................................................................................2

Chương 2:..................................................................................................................... 3
KẾT QUẢ KHẢO SÁT LÝ THUYẾT - TỔNG QUAN VỀ...........................................3
ĐỆM ĐIỆN TỪ............................................................................................................3
2.1 Tóm tắt về đệm điện từ....................................................................................................................3
2.2 Giới thiệu ngắn về DC EMLS (DC ElectroMagnetic Levitation System)............................................5

Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ........................................................6
Hình 2.3: Khoảng cách so với lực (đối với dòng liên tục) giữa nam châm và vật chất.......7
2.2.1 Hệ thống truyền động - chấp hành (Actuator)..........................................................................7

Hình 2.4: Sơ đồ đơn giản hóa của hệ thống đệm điện từ DC............................................8
Hình 2.5: Sự khác nhau về hình dạng của các hệ thống treo.............................................9
2.2.2 Cảm biến vị trí (Position Sensor)...............................................................................................9

viii


2.2.3 Bộ điều khiển (Controller).......................................................................................................10
2.2.4 Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier)............................................................................11
2.3 Ứng dụng của đệm điện từ.............................................................................................................11
2.3.1 Ứng dụng trong tàu đệm từ.....................................................................................................12

Hình 2.6: Tàu điện từ lực (EMS) và tàu đệm điện động lực (EDS)...................................15
Hình 2.7: Mô đun hỗ trợ và đường dẫn...........................................................................17
Hình 2.8: Cấu trúc đường dẫn........................................................................................17
Hình 2.9: Các toa tàu đệm từ cao tốc..............................................................................18
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật toa tàu...............................................................................19
Hình 2.10: Mô tả lực đẩy khi tàu đệm từ cao tốc hoạt động.............................................20
Hình 2.11: Hệ thống điều khiển maglev Transrapid.........................................................21

Hình 2.12: Các hệ thống đường dẫn maglev Transrapid...................................................22
Hình 2.13: Bộ phận chuyển hướng.................................................................................23
2.3.2 Ứng dụng trong vòng bi từ......................................................................................................24

Hình 2.15: Ổ bi từ trường..............................................................................................24
Hình 2.16: Cấu tạo của ổ bi từ trường.............................................................................26
Hình 2.19: Động cơ tuyến tính.......................................................................................30
Hình 2.20: Nguyên lý động cơ tuyến tính.......................................................................31
Hình 2.21: Cấu tạo động cơ tuyến tính...........................................................................32
Chương 3:..................................................................................................................... 35
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRA THỰC NGHIỆM...................................35
3.1 Thời gian địa điểm làm đề tài.........................................................................................................35
3.2 Đối tượng nghiên cứu và thiết bị hỗ trợ........................................................................................35
3.2.1 Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................................35
3.2.2 Thiết bị hỗ trợ nghiên cứu.......................................................................................................35
3.3 Phương pháp thực hiện..................................................................................................................35
3.3.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí.......................................................................................35
3.3.2 Phương pháp thực hiện phần mạch điện...............................................................................36
3.3.3 Phương pháp thực hiện phần chương trình...........................................................................36

Chương 4:..................................................................................................................... 37
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - PHÁT TRIỂN...................................................................37
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH..........................................................................37
ix


4.1 Thiết kế phần cơ khí........................................................................................................................37
4.1.1 Mô hình chung.........................................................................................................................37

Hình 4.1: Mô hình chung phần cơ khí............................................................................37

4.1.2 Phần sơ cấp..............................................................................................................................38

Hình 4.2: Phần sơ cấp....................................................................................................38
4.1.3 Phần thứ cấp (phần tĩnh).........................................................................................................40

Hình 4.3: Phần thứ cấp..................................................................................................40
4.1.4 Cảm biến..................................................................................................................................40

Hình 4.4: Cảm biến Hall AH 175-PL..............................................................................40
Bảng 4.1: Trạng thái cảm biến, cực từ cuộn dây trên suốt quãng đường di chuyển............42
Bảng 4.2: Bố trí tương đối cực từ nam châm vĩnh cửu trên phần stator.............................43
4.2 Thiết kế phần mạch điện................................................................................................................44
4.2.1 Sơ đồ chung các khối mạch.....................................................................................................44

..................................................................................................................................... 44
Hình 4.5: Sơ đồ chung khối mạch..................................................................................44
4.2.2 Mạch nguồn.............................................................................................................................44

Hình 4.6: Mạch nguyên lý mạch nguồn..........................................................................45
4.2.3 Mạch VDK PIC16F877A............................................................................................................45

..................................................................................................................................... 46
Hình 4.7: Mạch nguyên lý mạch VDK PIC16F877A......................................................46
4.2.4 Mạch cầu H...............................................................................................................................46

..................................................................................................................................... 47
Hình 4.8: Mạch nguyên lý mạch cầu H...........................................................................47
4.3 Thiết kế phần chương trình............................................................................................................47
4.3.1 Lưu đồ giải thuật......................................................................................................................47
4.3.2 Viết chương trình điều khiển...................................................................................................49

4.4 Hiệu chỉnh mô hình và chạy thử.....................................................................................................49

Bảng 4.3: Kết quả hiệu chỉnh cảm biến và cuộn dây........................................................49
4.5 Chạy khảo nghiệm mô hình và kết quả nghiên cứu.......................................................................49
4.5.1 Chạy khảo nghiệm mô hình.....................................................................................................49
4.5.2 Kết quả nghiên cứu..................................................................................................................50

Biểu đồ 4.1: So sánh vận tốc PWM 100%......................................................................51
Biểu đồ 4.2: So sánh vận tốc PWM 80%........................................................................52
x


Biểu đồ 4.3: So sánh vận tốc PWM 60%........................................................................52
Chương 5:..................................................................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...........................................................................................54
5.1 KẾT LUẬN............................................................................................................54
5.2 ĐỀ NGHỊ................................................................................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................56
Tài liệu tham khảo các sách:..........................................................................................56
PHỤ LỤC..................................................................................................................... 1
Phụ lục 4.1...............................................................................................................................................1
Phụ lục 4.2...............................................................................................................................................2
Phụ lục 4.3...............................................................................................................................................5
Phụ lục 4.5...............................................................................................................................................8

Biểu đồ 4.1: So sánh vận tốc PWM 100%......................................................................51
Biểu đồ 4.2: So sánh vận tốc PWM 80%........................................................................52
Biểu đồ 4.3: So sánh vận tốc PWM 60%........................................................................52

xi

Chương 1:
GIỚI THIỆU
1.1 Giới thiệu về đệm điện từ
Đệm điện từ là việc sử dụng từ trường để nâng một vật bằng kim loại bằng cách
điều khiển lực trường và kiểm soát từ thông của nó. Khi các cực tương đồng của hai
nam châm vĩnh cửu đến gần nhau, chúng tạo ra một lực làm hai bên đẩy nhau, lực này
sẽ phát triển mạnh mẽ hơn khi khoảng cách giữa các cực giảm. Khi cực không tương
đồng của hai nam châm vĩnh cửu được mang gần với nhau, chúng tạo ra một lực hút,
lực này phát triển mạnh mẽ hơn như khoảng cách giữa chúng giảm bớt. Một hệ thống
đệm điện từ thiết kế dựa trên lực hút đẩy đòi hỏi một sự cân bằng hoàn hảo giữa lực
hút từ trường và trọng lượng vật treo. Có 2 cách cho hệ thống đệm điện từ là chủ động
và thụ động [2]:
Trong một hệ thống đệm điện từ chủ động, nam châm điện cùng với bộ khuếch
đại nhận được tín hiệu từ bộ điều khiển. Những bộ điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm
biến nhận biết từ trường, sau đó xử lý xuất tín hiệu làm thay đổi lực từ trường để đáp
ứng nhu cầu của hệ thống từ.
Hệ thống đệm điện từ thụ động là không thực tế vì không có một thành phần ổn
định [2]. Hệ thống đệm động lực có thể được sử dụng để thêm sự ổn định cho hệ thống
bay lên thụ động. Sự kết hợp của bay lên thụ động và đệm điện động lực là một cách
tiếp cận cho nhiều ứng dụng của hệ thống đệm điện từ.
Trên thế giới đã có nhiều ứng dụng của đệm điện từ như: tàu đệm từ cao tốc,
vòng bi từ, động cơ tuyến tính…Tại Việt Nam đệm điện từ được biết đến là các động
cơ tuyến tính trong các loại máy CNC, máy cắt lazer.
Đệm điện từ đang là một hướng phát triển tương lai của thế giới và vẫn còn
nhiều vấn đề mở cần được nghiên cứu và cải tiến [2]. Ngoài ra, cơ sở lý thuyết về đệm
điện từ trong nước còn rất ít, nếu có thì chủ yếu là tài liệu tiếng nước ngoài. Do đó tôi
đã chọn đề tài này nhằm góp phần khắc phục phần nào về nhược điểm đó.

1


1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu chung của đề tài: Nghiên cứu lý thuyết về đệm điện từ và các ứng
dụng của đệm điện từ trong thực tiễn. Đóng góp một phần cơ sở lý thuyết về đệm điện
từ và ứng dụng của nó cho các nghiên cứu về sau.
Các mục tiêu cụ thể cần đạt của đề tài:
-

Sưu tầm, tổng hợp, tóm tắt các lý thuyết về đệm điện từ có thể.

-

Tìm hiểu về các thành phần cấu tạo của một hệ thống đệm điện từ DC
EMLS.

-

Đã tìm hiểu chi tiết 3 ứng dụng quan trọng của đệm điện từ trong kỹ
thuật: tàu đệm từ cao tốc, vòng bi từ, động cơ tuyến tính.

-

Thiết kế, chạy thử, chỉnh sửa và cải tiến mô hình động cơ tuyến tính ổn
định.

-

Hiệu chỉnh, khảo nghiệm các mức vận tốc hoạt động của động cơ tuyến

tính trên các quãng đường dịch chuyển khác nhau.

-

Lấy số liệu, rút ra kết luận và đề nghị ra hướng phát triển cho mô hình.

Những công việc chính sẽ làm:
-

Tổng hợp các tài liệu, các bài báo.

-

Dịch, tóm tắt viết lại cụ thể những kiến thức có liên quan đến đề tài.

-

Tìm hiểu, tóm tắt 3 ứng dụng của đệm điện từ trong thực tế: tàu đệm từ,
ổ bi từ và động cơ tuyến tính.

-

Thiết kế phần cơ khí cho mô hình động cơ tuyến tính.

-

Thiết kế phần mạch và chương trình (code vi điều khiển).

-

Chạy mô phỏng trên máy tính.

-

Chạy trên mô hình thực tế.

-

Chỉnh sửa và cải tiến mô hình cho ổn định.

-

Ghi chép số liệu qua các lần chạy thử.

-

Kết luận và đề nghị hướng phát triển.

2


Chương 2:
KẾT QUẢ KHẢO SÁT LÝ THUYẾT - TỔNG QUAN VỀ
ĐỆM ĐIỆN TỪ.
Trong chương này chúng tôi sẽ tóm tắt và trình bày lý thuyết về đệm điện từ từ
tài liệu tổng hợp được, giới thiệu ngắn về hệ thống DC EMLS (DC ElectroMagnetic
Levitation System là 1 trong 2 nguyên lý đệm từ áp dụng trong thực tế), sau đó là
những ứng dụng của đệm điện từ, trong đó có 3 ứng dụng quan trọng mà tôi đi sâu vào
là ứng dụng trong tàu đệm từ cao tốc, ổ bi từ và trong động cơ tuyến tính.
2.1 Tóm tắt về đệm điện từ.

Vượt qua ảnh hưởng của trọng lực đã từng là một giấc mơ của các thế hệ nhà tư
tưởng, trong đó đệm điện từ là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, ứng dụng của nó
đã hiện thực hóa giấc mơ đó. Việc mở rộng nghiên cứu đang được tiếp tục trong 2 thập
kỷ qua trên toàn thế giới để thiết kế ra những dạng mới nhất của hệ thống đệm điện từ.
Do liên quan đến nhiều ngành học thuật, nhiều khía cạnh vẫn còn mở trong nghiên cứu
hệ thống đệm điện từ. Những bộ phận chính trong một hệ thống treo điện từ [1] là: (1)
bộ phận chấp hành, (2) cảm biến, (3) bộ phận điều khiển, (4) bộ phận khuếch đại công
suất [hình 2.4].
Có nhiều ứng dụng của hệ thống đệm điện từ trong công nghiệp. Những ứng
dụng hiện đại về bay lên của các thiết bị như vòng bi từ và xe đệm từ đã thúc đẩy các
nổ lực đổi mới nghiên cứu về mặt đệm điện từ, cạnh đó thì sự tiến bộ trong lĩnh vực
điện tử điều khiển và vật liệu siêu dẫn đã góp phần tạo nên những bước tiến trong lĩnh
vực đệm điện từ. Tàu đệm từ trường cao tốc đang trở thành một chủ đề giao thông vận
tải phổ biến toàn thế giới. Hiện nay, tàu đệm từ trường cao tốc đã được sử dụng ở Đức
và Nhật Bản. Một vài ứng dụng khác của đệm điện từ trong vài lĩnh vực như: việc
cách ly sự rung động của máy móc dễ hư hỏng, đệm của kim loại nấu chảy trong
những lò đốt cảm ứng, đệm của những kim loại trong suốt qui trình chế tạo, v.v. Ngoài

3


ra còn có các ứng dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn và y sinh học, do sự cần thiết
trong sạch cho môi trường.
Có nhiều loại đệm điện từ khác nhau trong nghiên cứu và phát triển đang được
nỗ lực thực hiện. Dựa trên nguyên tắc cơ bản, hệ thống đệm từ trường có thể được khái
quát phân loại vào hai loại [1]: đệm điện động lực và đệm điện từ dùng lực hút. Trong
hệ thống điện động lực, lực đẩy được sử dụng để treo các vật thể, sự nâng lên được tạo
ra do lực hấp dẫn giữa nam châm điện và vật thể có tính sắt từ. Phần lớn hệ thống đệm
điện động lực sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra lực. Một trong những ràng buộc
hạn chế của nguyên tắc lực đẩy nam châm siêu dẫn là nó không thể cung cấp lực treo

dưới một số tốc độ quan trọng. Hệ thống đệm điện động lực vốn đã ổn định, nhưng ở
tốc độ cao nó gặp vấn đề không còn ổn định do sự tắt dần tiêu cực. Vì vậy, một vài loại
giảm chấn thụ động phải được lắp đặt trong xe đệm điện động lực để duy trì sự ổn
định ở tốc độ cao.
Hệ thống đệm điện từ sử dụng lực hút còn đơn giản, tương đối rẻ hơn đệm điện
động lực (vì nam châm siêu dẫn không được dùng ở đây mà đòi hỏi helium lỏng đông
lạnh chứa trong thùng) [1]. Trong đệm điện từ (hệ thống lực hút), nam châm điện được
điều khiển bằng nguồn xoay chiều AC hoặc nguồn một chiều DC. Mặc dù một số hệ
thống thí nghiệm sử dụng nguồn điện xoay chiều đã được xây dựng, những phương
pháp này được xem là phù hợp với các ứng dụng mà khối lượng vật thể bị treo là nhỏ.
Các hạn chế ràng buộc nghiêm trọng là dòng eddy trong nam châm điện và phần nào
sự khá phức tạp của mạch điện điều khiển điều chế sự ổn định cho nguồn AC không
phù hợp cho trọng tải nặng. Ngược lại, phương pháp DC về mặt kỹ thuật gọi là hệ
thống đệm điện từ DC (EMLS) có cấu hình đơn giản đáng kể với yêu cầu năng lượng
thuận lợi. Trong DC EMLS hiện tại lực hút của các nam châm điện có thể được kiểm
soát một cách hiệu quả bằng cách sử dụng một chế độ chuyển mạch bộ khuếch đại
công suất.
DC EMLS lần đầu tiên được thực hiện bởi Kemper vào năm 1932. Tuy nhiên,
nó đã nhận được sự quan tâm đổi mới trong những năm 1970 với sự phát triển năng
lượng điện tử và các hệ thống điều khiển hiện đại. Hiện nay, DC EMLS đang được sử
dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Cuộc nghiên cứu sâu rộng đã được thực hiện
trong hai thập niên vừa qua trên khắp thế giới để thiết kế các mẫu mới nhất của hệ
4


thống đệm điện từ. Vẫn còn nhiều khía cạnh mở cho nghiên cứu và phát triển trong
lĩnh vực DC EMLS đòi hỏi sử dụng về cơ bản những khái niệm liên ngành về điện từ
học, lĩnh vực điện tử, ngành chế tạo máy, đo lường, và điều khiển [1].
2.2 Giới thiệu ngắn về DC EMLS (DC ElectroMagnetic Levitation System).
Ở phần này, sẽ trình bày khái niệm cơ bản về đệm điện từ cũng như mô tả về

thành phần trong một hệ thống đệm điện từ DC đơn giản. Hệ thống đệm từ trường đòi
hỏi phải có hai phần sau: hệ thống chính để tạo ra từ trường và hệ thống định hình
(hoặc giữ) đường sức cho từ trường.
Trong trường hợp đệm điện từ DC, dòng điện trong cuộn dây sơ cấp sẽ tạo ra từ
thông theo đường dẫn sắt từ. Nói chung, nam châm điện được giữ cố định và vật thể có
tính sắt từ buộc phải tiếp tục treo dưới nam châm [hình 2.1]. Ngoài ra, phương pháp
này chỉ là đảo ngược và nam châm điện là một phần của đối tượng được nâng lên dưới
một đường sức từ cố định [hình 2.2].
Nguyên lý cơ bản của đệm điện từ có thể được giải thích bằng sơ đồ trong hình
2.1. Khi nam châm điện được kích thích, có một lực hút được sinh ra giữa nam châm
điện và vật sắt từ [1]. Lực có thể được tính bởi công thức:
i 
F (i, z ) = k  
z

Trong đó:

2

[2.1]

F (i,z) là đại lượng đặc trưng cho lực từ.
i là dòng từ trường.
z là khoảng cách không khí giữa mặt.
k gọi là hằng số lực.

Công thức trên chỉ dùng khi không có sự bão hòa từ trường, giả định động thái
vật liệu tuyến tính, không có tổn thất do dòng eddy, không có độ lệch dòng từ trường
của nam châm vĩnh cửu.
Để có sự bay lên ổn định của vật thể tại mọi điểm hoạt động “A”, lực từ được

tạo ra giữa nam châm và vật thể nên cân bằng chính xác với trọng lượng của phần
thân. Khoảng cách lực đặc trưng (cho hằng số dòng điện DC) của một EMLS được mô
tả bằng biểu đồ ở hình 2.3.

5


Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ.

Hình 2.2: Sơ đồ đơn giản của hệ thống đệm điện từ (kiểu ngược).

6


Hình 2.3: Khoảng cách so với lực (đối với dòng liên tục) giữa nam châm và vật chất.
Một sự thay đổi để giảm bớt sự gia tăng của khoảng cách không khí là tăng lực
hút và các lực hướng lên, làm cho phần thân như gắn vào nam châm. Ngược lại, tăng
khe hở không khí một chút sẽ làm cho vật thể rơi ra dưới trọng lực. Vì vậy, để giữ vật
thể treo trong vị trí ổn định, dòng điện nam châm điện phải được kiểm soát nhanh
chóng và chính xác bằng cách cảm nhận vị trí của nó. Về cơ bản quy trình nâng lên
này được hệ thống kiểm soát thông tin phản hồi kiểm soát ở dạng vòng lặp kín với các
hệ thống phụ khác [hình 2.4]. Ở đây, các cảm biến vị trí được đặt giữa mặt cực từ và
vật thể có tính sắt từ, và tín hiệu đầu ra được đưa trở lại để so sánh. Đầu ra so sánh
được đưa vào một bộ điều khiển tự động duy trì sự cân bằng lực bảo đảm sự ổn định
vòng kín của hệ thống. Bộ điều khiển gửi tín hiệu đến bộ khuếch đại, tạo ra các dòng
điện cần thiết trong các cuộn dây truyền động. Dòng điện trong các cuộn dây tạo ra các
lực từ cần thiết [1].
Vì vậy nói chung, có bốn thành phần chính trong hệ thống đệm điện từ, đó là:
(1) bộ truyền động, (2) thiết bị cảm biến, (3) bộ điều khiển, và (4) bộ khuếch đại công
suất. Một cái nhìn tổng thể về tất cả những thành phần này sẽ được mô tả trong những

phần sau đây.
2.2.1 Hệ thống truyền động - chấp hành (Actuator).
Nam châm điện hoạt động như một thiết bị truyền động cung cấp lực treo cơ
bản. Khi dòng điện đi qua một cuộn dây được quấn quanh một lõi vật chất có tính sắt
từ, từ thông được sinh ra. Từ thông tạo ra lực từ tác dụng lên bất cứ vật chất có tính sắt
7


từ nào gần đó [1]. Các lực từ tính được sinh ra bởi các cuộn dây (giả định đơn giản hóa
mô hình tuyến tính như mô tả ở trên) được thể hiện ở hình 2.4 có thể viết như sau:
u N 2 A  i (t ) 
F(i,z) = o
4  z (t ) 

Trong đó:

2

[2.2]

N= N o số vòng của cuộn dây.
A là diện tích bề mặt cực từ của nam châm.
i(t) là dòng điện tức thời đi qua vòng dây.
z(t) là khoảng cách tức thời giữa bề mặt nam châm và vật thể sắt từ.

Hình 2.4: Sơ đồ đơn giản hóa của hệ thống đệm điện từ DC.
Tính toán thiết kế của nam châm điện chủ yếu được dựa trên năng lượng đầu
vào tỉ lệ với lực nâng và lực nâng tỉ lệ với trọng lượng nam châm, những yếu tố này
phụ thuộc vào kích thước của nam châm, khoảng cách thông lượng yêu cầu và mật độ
dòng điện trong cuộn dây. Cấu hình nam châm được lựa chọn dựa trên yêu cầu diện

tích mặt cực và diện tích cửa sổ cần thiết để chứa các cuộn dây kích từ. Có rất nhiều
loại nam châm và hình dạng tấm sắt từ khác nhau, như nam châm hình chữ U và E,
đường ray dạng chữ U được thể hiện trên hình 2.5. Trong thiết bị truyền động hình Ω,
có bốn nam châm điện được sử dụng. Nó bao gồm mối sắt có ba chân được cán mỏng
có gắn nam châm vĩnh cửu trên bề mặt cực bên ngoài, và các cuộn dây quanh các chân
bên. Ngược lại với truyền động hình chữ U và E, truyền động hình Ω có thể tạo ra lực
kéo theo ba hướng [1].

8


Dòng điện eddy trong lõi nam châm cũng như trong bộ đường ray sẽ làm giảm
lực nâng và tạo ra hiện tượng trễ pha giữa trường ứng dụng và luồng khe hở không
khí. Cấu trúc tấm mỏng của các tấm thép sẽ làm giảm tối đa dòng eddy và làm thời
gian đáp ứng của các nam châm nhanh hơn.
Các biến số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính năng động của nam châm điện
là hằng số thời gian điện (L/R) và sự phân bố phi tuyến của trường điện từ (sự phân bố
từ trường) trở nên vượt trội ở các tần số cao. Độ tự cảm của cuộn dây trong một số ví
dụ đơn giản (như đã nói ở trên) được mô tả ở phương trình 2.3.
L(z) =

µo N 2 A
2 z (t )

[2.3]

Chọn số các vòng dây ít, diện tích bề mặt của cực từ nhỏ hơn, khoảng cách
không khí lớn hơn giữa các bề mặt nam châm và đường dẫn có thể làm giảm hằng số
thời gian điện nhưng nếu giảm đồng thời tất cả những tác nhân này sẽ làm giảm lực
nâng. Bởi vậy tăng điện áp đầu vào DC, tỉ lệ gia tăng của từ thông của cuộn dây hiện

hành sẽ tăng, do đó sẽ làm giảm giá trị hiệu dụng của hằng số thời gian. Phương pháp
đó gọi là cưỡng bức điện áp [1].

Hình 2.5: Sự khác nhau về hình dạng của các hệ thống treo.
2.2.2 Cảm biến vị trí (Position Sensor).
Các yêu cầu cho một thiết bị cảm biến vị trí trong ứng dụng treo từ tính là: hoạt
động thuộc loại không tiếp xúc, tốc độ đường truyền của thiết bị cảm biến phải vượt
hơn so với bộ khuếch đại và bộ truyền động, đầu ra của cảm biến nên duy trì sự tuyến
9


tính với khoảng cách trên một phạm vi rộng, thiết bị cảm biến nên có khả năng miễn
nhiễm đối với sai lệch từ trường và độ phân giải nên rất cao. Trong các ứng dụng treo
từ tính, có một số loại cảm biến vị trí đã dược sử dụng, hoặc có khả năng sẽ được sử
dụng, như là các đầu dò siêu âm, đầu dò điện dung, đầu dò hiệu ứng Hall, đầu dò
quang học, đầu dò lazer, đầu dò dòng eddy (dòng điện xoáy), đầu dò biến trở. Trong số
các cảm biến vị trí khác nhau, loại đầu dò dòng eddy chủ yếu được ứng dụng trong hệ
thống từ treo [1].
Thiết bị cảm biến này cho thấy tần số đáp ứng tuyệt vời với sự chuyển pha rất
nhỏ. Độ tuyến tính trong phạm vi hoạt động của nó cũng rất tốt. Tuy nhiên đầu ra của
đầu đò được tìm thấy rất dễ sai lệch do sự nhiễm điện từ (EMI) từ bộ khuếch đại
chuyển đổi năng lượng. Nhắc lại, EMI phụ thuộc mạnh mẽ vào sự kích từ của cuộn
dây nam châm, và chất lượng đầu ra của thiết bị thăm dò phụ thuộc rất nhiều vào dòng
eddy trong cuộn dây [1].
2.2.3 Bộ điều khiển (Controller).
Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển là tạo ra các dòng kiểm soát để dẫn động hệ
thống theo thuật toán điều khiển. Vì hệ thống đệm điện từ vốn dĩ không ổn định và bản
chất có tính phi tuyến mạnh mẽ, việc lựa chọn và thiết kế phù hợp của bộ điều khiển
để duy trì sự ổn định toàn bộ trong vòng lặp kín cũng như hiệu suất hoạt động là cực
kỳ quan trọng. Mục tiêu quan trọng khác của việc thiết kế bộ điều khiển là để duy trì

mạnh mẽ tính ổn định trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Tín hiệu điều khiển có
thể là tín hiệu tượng tự (analog), tín hiệu số (digital), hoặc hỗn hợp cả 2. Với một trong
hai phần cứng analog hoặc digital, thuật toán kiểm soát có thể được thực hiện. Từ khảo
sát, có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau đã được áp dụng cho các hệ thống từ
treo. Nếu thiết kế được hoàn thành bằng cách phân tích tuyến tính, sau đó sử dụng kỹ
thuật điều khiển cổ điển bù ghép tầng hoặc điều khiển hồi tiếp có thể triển khai. Cơ
cấu bù Lead-lag (ON-OFF) được sử dụng chủ yếu trong EMLS vì nó đơn giản, dễ
dàng thiết kế và mạnh mẽ [1].
Gần đây, bộ điều khiển thông minh cũng được sử dụng để duy trì sự ổn định
toàn bộ vòng lặp kín cũng như sự mạnh mẽ của hệ thống. Bộ điều khiển được thiết kế
bằng cách sử dụng logic mờ, mạng lưới thần kinh nhân tạo và thuật toán phát sinh.

10


2.2.4 Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier).
Hiệu quả, độ tin cậy của hoạt động trong hầu hết các trường hợp, công suất cao
tỉ lệ trọng lượng là những yêu cầu cần thiết cho các ứng dụng hệ thống đệm điện từ.
Để đáp ứng những yêu cầu này, có lẽ một phần thiết yếu nhất của hệ thống là bộ
khuếch đại công suất. Những tiến bộ gần đây của công nghệ đệm từ loại lực hấp dẫn
gần như hoàn toàn dựa vào sự phát triển của điện tử thể rắn và các thiết bị bán dẫn.
Các bộ khuếch đại cần phải có các đặc tính như động lực nhanh, băng thông rộng, khả
năng xử lý trọng tải lớn, tiết kiệm năng lượng, độ tin cậy cao và chi phí hợp lý. Cả hai
chế độ tuyến tính và chuyển đổi khuếch đại công suất đã được sử dụng trong hệ thống
từ treo DC.
2.3 Ứng dụng của đệm điện từ.
Hệ thống đệm điện từ là một phương pháp mà một đối tượng được treo trong
không khí không có hỗ trợ nào khác ngoài từ trường. Nó được sử dụng trong các lĩnh
vực để đảo ngược hoặc chống lại lực hấp dẫn và thay đổi gia tốc bất kỳ, không ảnh
hưởng lực ma sát, hiệu quả, tốc độ nhanh hơn âm thanh. Các nguyên tắc bay lên nhờ

từ trường đã được biết đến trong hơn 100 năm trước, khi các nhà khoa học Mỹ Robert
Goddard và Emile Bachelet lần đầu tiên trình bày về xe lửa không ma sát. Mặc dù xe
lửa từ tính bay lên đã là trọng tâm của nhiều sự quan tâm trên toàn thế giới, nhưng
công nghệ là không giới hạn và luôn được phát triển và mở rộng. Khoa học kỹ thuật về
hệ thống đệm điện từ có thể được phân loại và tóm tắt như sau [3]:
-

Trong kỹ thuật giao thông vận tải (xe đệm điện từ, xe cá nhân Rapid Transit
(PRT), vv).

-

Kỹ thuật môi trường (các Turbines gió).

-

Kỹ thuật hàng không (tàu vũ trụ, bệ phóng tên lửa, vv).

-

Vũ khí kỹ thuật quân sự (tên lửa, súng, vv.).

-

Kỹ thuật hạt nhân (lò ly tâm).

-

Xây dựng và thiết bị xây dựng (vòng bi từ, thang máy, máy nâng hạ, quạt, máy
nén khí, thiết bị làm mát, máy bơm các loại, vv).

-

Kỹ thuật y sinh ( bơm tim).

-

Kỹ thuật hóa học (phân tích thực phẩm và đồ uống, vv).

-

Kỹ thuật điện.
11


-

Kiến trúc xây dựng và gia dụng (đèn bàn, ghế, Sofa, giường, máy giặt, vv).

-

Kỹ thuật ô tô.
Sau đây tôi xin trình bày 3 ứng dụng điển hình của đệm điện từ trong tàu đệm

từ, vòng bi từ và động cơ tuyến tính.
2.3.1 Ứng dụng trong tàu đệm từ.
2.3.1.1 Giới thiệu tàu đệm từ (maglev Transrapid).
Tàu đệm từ (tiếng Anh: Magnetic levitation transport, hay maglev Transrapid)
là một phương tiện chuyên chở được nâng lên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực
điện từ. Phương pháp này có thể nhanh và tiện nghi hơn các loại phương tiện công

cộng sử dụng bánh xe, do giảm ma sát và loại bỏ các cấu trúc cơ khí [5].
Kỹ thuật nâng bằng lực từ không có gì trùng lặp với kỹ thuật tàu sử dụng bánh
xe và do vậy không tương thích với đường ray xe lửa truyền thống. Do không sử dụng
chung các cơ sở hạ tầng đang hiện có, tàu đệm từ phải được thiết kế với một hệ thống
giao thông hoàn toàn mới. Thuật ngữ "tàu đệm từ" không chỉ đơn thuần chỉ đến
phương tiện chuyên chở mà còn bao gồm cả sự tương tác giữa tàu và đường ray, mỗi
bộ phận được thiết kế đặc biệt tương thích lẫn nhau để tạo ra lực nâng và điều khiển
chính xác việc nâng lên và đẩy tới bằng lực điện từ.
Bởi vì không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma
sát giữa con tàu và không khí. Do đó, tàu đệm từ có khả năng di chuyển với vận tốc rất
cao, tiêu tốn ít năng lượng và ít tiếng ồn. Các hệ thống đã được đề nghị có thể hoạt
động với vận tốc lên đến 650 km/h, nhanh hơn nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống.
Tốc độ rất cao của tàu đệm từ làm chúng có thể cạnh tranh với các đường bay dưới
1.000 kilômét. Ứng dụng thương mại đầu tiên trên thế giới của tàu đệm từ cao tốc là
tuyến thử nghiệm ở Thượng Hải (IOS, initial operating segment) vận chuyển hành
khách trên quãng đường dài 30 km từ thành phố đến sân bay chỉ trong 7 phút 20 giây
(tốc độ cao nhất là 431 km/h, tốc độ trung bình 250 km/h). Các dự án tàu đệm từ khác
trên thế giới đang được nghiên cứu về tính khả thi.
Hai loại tàu đệm từ được sử dụng hiện nay:
Đức và Nhật Bản là hai quốc gia đang chạy thử nghiệm loại tàu đệm từ này.
Mặc dù dựa trên những tính chất tương tự nhưng hai loại tàu của hai quốc gia là có sự
khác biệt rõ rệt.
12


Ở Đức, các kĩ sư thiết kế hệ thống Electromagnetic Suspension (EMS): tạm
dịch là Cách treo bằng điện từ lực. Tàu điện áp dụng hệ thống EMS này có thể “bay”
lên trên đường sắt bằng thép trong khi nam châm điện gắn liền với xe sẽ định hướng
đường sắt từ bên dưới. Hệ thống EMS thường được sắp xếp trên hàng loạt các cánh tay
hình chữ C, phần trên cánh tay gắn liền với thân tàu, còn gờ bên dưới thì được gắn

nam châm bên trong. Đường sắt được đặt nằm giữa phần trên và dưới cánh tay hình
chữ C.
Trong hệ thống này, dưới đáy tàu sẽ được quấn các vòng thép. Nam châm điện
sẽ hút trực tiếp các bánh đáp của con tàu làm cho con tàu chuyển động về phía trước
đường dẫn, nó làm cho con tàu bay lên với khoảng cách 1/3 inch (1 cm) và giữ con tàu
bay lên ngay cả khi nó dừng chuyển động. Một nam châm khác sẽ đặt trong con tàu để
giữ nó ổn định trong suốt quá trình chuyển động. Đức đã khẳng định con tàu đệm từ
Transrapid của họ có thể đạt tới 300 mph khi có người trên tàu.
Lợi thế lớn nhất của hệ thống này là tàu có thể bay ở bất kỳ tốc độ nào, không
bị giới hạn tốc độ tối thiểu để tàu có thể bay là 30 km/h như hệ thống EDS. Điều này
giúp loại bỏ sự cần thiết phải xây dựng một hệ thống treo riêng biệt tốc độ thấp, chi
phí xây dựng toàn tuyến cũng không quá cao. Vận tốc tối đa hiện tại đạt được đối với
hệ thống này là 500 km / h. Hầu hết các nước áp dụng hệ thống EMS khi xây dựng
tuyến maglev, dẫn đầu là Transrapid của Đức.
Trong khi đó, các kĩ sư Nhật Bản đang phát triển hệ thống Electrodynamic
Suspension (EDS): tạm dịch là Cách treo bằng điện động lực. Sự khác nhau cơ bản của
Nhật Bản so với Đức chính là họ sử dụng hệ thống làm mát bằng vật liệu siêu dẫn.
Loại nam châm điện có thể cung cấp điện ngay cả khi nguồn điện đã tắt. Trong hệ
thống EMS của Đức, sử dụng các nam châm điện tiêu chuẩn, các cuộn dây chỉ có thể
dẫn điện khi nguồn điện cung cấp dòng điện chạy qua. Bằng cách làm lạnh hệ thống ở
nhiệt độ siêu dẫn, hệ thống của Nhật Bản sẽ rất tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, chi
phí của nó thì lại không rẻ một chút nào. Một sự khác biệt nữa đó là hệ thống tàu đệm
từ của Nhật Bản có thể bay lên gần 4 inch (10 cm) trên đường dẫn. Tuy nhiên, một trở
ngại với hệ thống EDS là con tàu phải được cuộn trên các lốp cao su cho đến khi tốc
độ cất cánh là 62 mph (100 km/h). Các kĩ sư Nhật Bản nói rằng các bánh xe là một ưu
điểm nếu xảy ra hiện tượng mất điện cho toàn bộ hệ thống, trong khi đó tàu Transrapid
13