Nghiên cứu điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Dương Quốc Tuấn, hiện đang công tác tại Bộ môn Tự động hóa –
Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin
cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập
thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là
trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày

tháng 03 năm 2020

Tác giả luận án

Dương Quốc Tuấn

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận án này, tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em, các bạn
và các tổ chức. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn
chân thành tới:
Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện của trường đại học Kỹ thuật
Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ
cao về Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên và Đại học Thái Nguyên
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và
hoàn thiện luận án.
PGS.TS. Nguyễn Như Hiển và PGS.TS. Trần Xuân Minh, những người thầy
kính mến đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi.
Tập thể các nhà khoa học của Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa của trường
Đại học Bách khoa Hà Nội, đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn chỉnh
bản luận án này.
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, các em và người vợ yêu quý cùng con trai đã
luôn luôn bên tôi, hết lòng thương yêu, quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh
thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này.
Thái Nguyên, ngày tháng 03 năm 2020
Tác giả luận án

Dương Quốc Tuấn

ii


Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. x
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1
2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu .................................................... 2
3. Mục tiêu của luận án ............................................................................................... 3
4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .......................... 3
5. Bố cục của luận án .................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH
HỢPỔĐỠTỪ 5

1.1 Mở đầu .................................................................................................................. 5
1.2 Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông dọc trục
6
1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu ....................... 7
1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục .................... 9
1.3.2 Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục ........................... 10
1.3.3 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ ............................................ 11
1.3.4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC .................................. 11
1.3.5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục . 13
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................ 14
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................ 15
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................ 16
1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án ................................................................... 27
1.6 Kết luận ............................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC
KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC............................................. 29
2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ
nam châm vĩnh cửu ................................................................................................... 29
2.1.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 29
iii


Mục lục
2.1.2 Nguyên lý làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC ............. 30
2.2 Mô hình toán học của động cơ từ thông dọc trục kích từ NCVC....................... 30
2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 30
2.2.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục tích hợp chức
năng ổ từ dọc trục trên hệ tọa độ đồng bộ từ thông ........................................... 32
2.3 Tính toán lực hút dọc trục ................................................................................... 35
2.3.1 Xác định lực dọc trục của ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh

cửu 35
2.3.2 Mô hình toán học của ĐC AFPM ............................................................ 45
2.4 Kết luận ............................................................................................................... 47
CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC48
3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ AFPM ......................................................... 48
3.1.1 Cấu trúc điều khiển tổng quát .................................................................. 48
3.1.2 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp kinh điển ......... 49
3.1.3 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp Backstepping-SMC
54
3.2 Các kết quả mô phỏng ........................................................................................ 60
3.2.1 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài PID, mạch vòng dòng điện
PID 61
3.2.2 Mô phỏng hệ thống với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt ............... 66
CHƯƠNG 4 : HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .... 74
4.1 Hệ thống thí nghiệm ........................................................................................... 74
4.2 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 89
4.2.1 Động cơ chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức n=1500 vòng/phút .. 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 93
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...

95

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 97
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 108

iv


Danh mục các bảng biểu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật nguồn DC GW INSTEK PSW 80-40.5.......................78
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của Encoder RE30E-500-213-1.................................. 79
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A......80

v


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

B, Bδ
C3/2, C2/3

T

Mật độ từ thông, mật độ từ thông ở khe hở không khí
Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ 2
pha và ngược lại

C3s/2r, C2r/3s

Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định ba pha sang hệ
tọa độ quay 2 pha và ngược lại

C2s/2r, C2r/2s

Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 2 pha sang hệ
tọa độ quay 2 pha và ngược lại

L

Ma trận điện cảm

F1, F2

N

Lực điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra

FL

N

Lực ngoài tác động vào trục động cơ

Fp, Fs, FΣ
go

Sức từ động kích từ, stđ tổng 3 pha stator, stđ tổng
mm

Khe hở không khí giữa Stator và rotor

iα,iβ

A

Thành phần trục α,β của dòng điện

iA, iB, iC

A

Các dòng điện pha

id, iq

A

Dòng điện trên trục d,q

Ip, If

A

Dòng kích từ một chiều

isd, isq

A

Thành phần trục d,q của dòng điện stator

J, jr
Knl
Lsd, Lsq

2

KGm
H

Mô men quán tính
Hệ số khuếch đại của nghịch lưu
Thành phần điện cảm dọc trục, ngang trục

M1, M2, m1, m2

Nm

Mô men điện từ do động cơ 1, động cơ 2 sinh ra

Mđt

Nm

Mô men điện từ

N

Số vòng dây

np

Số đôi cực

R

Ma trận điện trở

Rs, Rr

Điện trở cuộn dây stator, rotor

S

m

2

Diện tích mặt cắt của đường sức từ

Sp

m

2

Diện tích cực từ tại khe hở không khí
vi


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Tsd, Tsq
Te, Tm

s
s

Hằng số thời gian
Hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian điện cơ

uα, uβ

V

Điện áp trên trục α,β

uA, uB, uC

V

Các điện áp pha

ud, uq

V

Điện áp trên trục d,q

usd, usq

V

Thành phần trục d,q của điện áp stator

Wm

Năng lượng điện từ
2

wl

mm

Kích thước mạch từ

z
Ψ, ψ

mm
Wb

Độ dịch chuyển của lõi thép, rotor
Từ thông

Ψp

Wb

Từ thông cực từ

ϕ

rad

Góc lệch giữa trục d và trục α

φ

Wb

Từ thông

µo

Tm/A Độ từ thẩm của không khí

ωs, ω1

rad/s

θ, θm

rad

τ

s

Tốc độ góc của từ trường stator
Vị trí góc
Hằng số thời gian

Các chỉ số bên phải, trên cao:
4

f
đại lượng mô tả trên hệ tọa độ T R (hệ tọa độ dq quay đồng bộ với
vector từ thông.
s, r

đại lượng mô tả trên hệ tọa độ αβ cố định với stator, rotor

vii


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các chữ viết tắt
Chữ viết
tắt

Ý nghĩa

AFPM

Axial Flux Permanent Magnet (từ thông dọc trục kích thích vĩnh
cửu)

AGBM

axial gap self- bearing machine (máy điện tự nâng có khe hở dọc

trục)

AMB

Active Magnetic Bearing (ổ đỡ từ chủ động)

AMM

amorphous magnetic materials (vật liệu từ vô định hình)

ĐB

Đồng bộ

ĐC

Động cơ

ĐCĐB

Động cơ đồng bộ

ĐH

Đại học

BSCCO

Bismuth strontium calcium copper oxide

CAN

Controller Area Network

CNC

Computer Numeric Control (Điều khiển số dùng máy tính)

CFD

computational fluid dynamic (động học chất lỏng tính toán)

DSP

Digital signal processor (Xử lý tín hiệu số)

DSSR

Double stator single rotor (hai stator một rotor)

EV

electric vehicle (Xe điện)

FEA

Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn)

FEM

Finite element method (Phương pháp phần tử hữu hạn)

FSCW

Fractional-slot concentrated-winding (dây quấn tập trung rãnh
phân số)

FVA

Finite Volume Analysis (phân tích thể tích hữu hạn)

HTC

high-temperature superconducting (siêu dẫn nhiệt độ cao)

LQG

Linear Quadratic Gaussian

LSAFPM

Line start AFPM (AFPM khởi động trực tiếp)

LSPM

Line start permanent magnet (Máy điện kích thích vĩnh cửu khởi
động trực tiếp)

MIMO

multiple-input multiple-output (nhiều đầu vào nhiều đầu ra)

NCVC

nam châm vĩnh cửu

NGTL

NOVA Gas Transmission Ltd
viii


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

NS
PC

North – South (Bắc – Nam)
Personal Computer (máy vi tính)

PPC

PowerPC (Máy tính chuyên dụng)

PID

Proportional Integral Derivative (tỷ lệ vi tích phân)

PM

Permanent Magnet (Nam châm vĩnh cửu)

RFPM

Radial Flux Permanent Magnet (máy điện kích thích vĩnh cửu từ
thông hướng tâm)

LRU

Least recently used

SMC

Sliding Mode Control (Điều khiển trượt)

SMC

soft magnetic composites, soft magnetic compound (Hợp chất từ
mềm)

SS

South – South (Nam – Nam)

SSDR

Single stator double rotor (Một stator hai rotor)

SSSR

Single stator single rotor (Một stator một rotor)

stđ

sức từ động

TFPM

transverse flux PM ()

4

TR

Tựa theo từ thông rotor

XNCN
YBCO

Xí nghiệp công nghiệp
yttrium barium copper oxide

ix


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu,

có tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ.....................2
Hình 1.1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N.
Tesla (a- hình chiếu đứng, b- hình chiếu cạnh, c- mặt cắt dọc).................................. 6
Hình 1.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM............................................................... 9
Hình 1.3 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC................................. 9
Hình 1.4 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng....................................................... 11
Hình 1.5 Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động.................................................................... 12
Hình 1.6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và
hướng trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục).......12
Hình 1.7 Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB): hướng tâm (a), dọc trục (b).....................13
Hình 1.8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục.................................14
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ AFPM tích hợp chức năng ổ đỡ từ dọc trục .. 29
Hình 2.2 Vector dòng stator khi ĐCĐB làm việc trong dải tốc độ quay danh định . 31

Hình 2.3 Mô hình liên tục của của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục...................35
Hình 2.4 Mạch từ lõi thép chữ C............................................................................. 36
Hình 2.5 Quan hệ phi tuyến giữa từ thông móc vòng Ψ và dòng điện i..................39
Hình 2.6 Mô hình xác định các từ thông móc vòng của ĐC AFPM........................41
Hình 2.7 Mô hình xác định từ thông móc vòng và lực đẩy kéo của stator 1 (a) và stator

2 (b) với rotor.......................................................................................................... 41
Hình 2.8 Sơ đồ thay thế mạch từ của ĐC đồng bộ từ thông dọc trục NCVC..........42
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của ĐC AFPM có tích hợp ổ từ dọc trục...............46
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục...........48
Hình 3.2 Cấu trúc dòng điện của động cơ AFPM.................................................... 49
Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện có khâu tách kênh Rii..........................51
Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ................................................................... 52
Hình 3.5 Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục.................................................. 53
Hình 3.6 Cấu trúc mô phỏng điều khiển động cơ AFPM......................................... 61
Hình 3.7 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định

mức và chưa có lực dọc trục tác động..................................................................... 62
Hình 3.8 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định
mức và có lực tác động dọc trục.............................................................................. 63
x


Danh mục hình vẽ

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và chưa có
lực tác động dọc trục............................................................................................... 64
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và có lực
tác động dọc trục..................................................................................................... 65
Hình 3.11 Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping..............................66
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt.................67
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ không tải và
có lực dọc trục tác động.......................................................................................... 68
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và không

có lực dọc trục tác động.......................................................................................... 69
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và có
lực dọc trục tác động............................................................................................... 70
Hình 3.16 So sánh kết quả mô phỏng của hai phương pháp................................... 72
Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống thí nghiệm............................................................. 74
Hình 4.2 Động cơ AFPM........................................................................................ 75
Hình 4.3 Stator của động cơ AFPM........................................................................ 75
Hình 4.4 Sơ đồ đấu dây Stator của động cơ AFPM................................................. 75
Hình 4.5 Rotor của động cơ AFPM......................................................................... 76
Hình 4.6 Động cơ AFPM với tải là máy phát một chiều......................................... 76
Hình 4.7 Bộ nguồn một chiều lập trình được.......................................................... 77
Hình 4.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của encoder............................................ 78

Hình 4.9 Encoder RE30E-500-213-1 của NIDEC COPAL..................................... 79
Hình 4.10 Cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A.................................80
Hình 4.11 dSPACE DS1104.................................................................................... 81
Hình 4.12 Connector/LED panel CLP1104............................................................. 82
Hình 4.13 Cấu trúc phần cứng của DS1104............................................................ 83
Hình 4.14 Thư viện dSPACE RTI1104.................................................................... 86
Hình 4.15 Giao diện điều khiển hệ thống................................................................ 87
Hình 4.16 Hệ thống thí nghiệm động cơ AFPM...................................................... 87
Hình 4.17 Toolbars của ControlDesk...................................................................... 88
Hình 4.18 Thiết lập thời gian quan sát thí nghiệm Capture settings........................88
Hình 4.19 Kết quả thực nghiệm ĐC chạy với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức......90
Hình 4.20 Kết quả thực nghiệm động cơ với tốc độ bằng tốc độ định mức.............91
xi


Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các hệ truyền động sử dụng động cơ điện (ĐC) xoay chiều đã được nghiên cứu
phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng từ những năm 80 của thế kỷ 20,
nhờ khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn
và giá thành rẻ. Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề tồn tại trong hệ truyền động xoay chiều
là yêu cầu bảo dưỡng và thay thế các vòng bi cơ. Trong nhiều ứng dụng thực tế, vấn đề
bảo dưỡng và thay thế vòng bi cơ thực sự rất khó khăn đòi hỏi chuyên gia trình độ cao
hoặc chi phí rất lớn. Thêm vào đó, dầu bôi trơn không thể sử dụng trong môi trường
chân không, môi trường nhiệt độ rất cao, rất thấp hoặc trong các môi trường yêu cầu rất
sạch (chế biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu,...) và tốc độ rất cao. Để đáp
ứng được các yêu cầu này thì hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng động cơ
đồng bộ (ĐCĐB) là một trong những lựa chọn phù hợp nhất hiện nay và đang được đẩy

mạnh nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới.

Các lĩnh vực ứng dụng chính của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng
ĐCĐB có thể phân loại sơ bộ như sau:
- Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của ĐCĐB chuyển
động không có tiếp xúc với phần cố định, nên tổn hao do ma sát gần như bằng
không. Điều này cho phép ĐCĐB làm việc với hiệu suất và tốc độ quay rất cao. Các
ứng dụng dạng này thường tập trung vào các máy nén cao tốc, các máy công cụ [3].
- Các ngành công nghệ sạch: Trục quay của ĐCĐB không tiếp xúc với phần
tĩnh do đó không có các hạt bụi do mài mòn tạo ra cũng như không cần sử dụng các
chất bôi trơn. Kết quả là không gây ô nhiễm tới môi trường xung quanh. Với ưu
điểm này hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB đang được đẩy mạnh
nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học, công
nghệ sinh học (bơm hóa chất [4], bơm máu trong tim nhân tạo [5][6]..)
- Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn,
hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB còn được nghiên cứu ứng
dụng trong các môi trường rất lạnh [7], [8]
Qua những phân tích đánh giá trên, dễ dàng nhận thấy rằng hệ thống truyền
động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB là một sản phẩm khoa học công nghệ mới trên
thế giới. Vì vậy, nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ bằng các bộ điều khiển
hiện đại là rất cấp thiết và có nhiều ý nghĩa.
1


Mở đầu

2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là nghiên cứu
ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục theo hướng thiết kế điều khiển
để ĐC đồng thời sinh ra mô men quay và lực dọc trục để giữ rotor của ĐC ở vị trí

cân bằng mà không cần bổ sung thêm ổ đỡ từ chặn chuyển động dọc trục.
ĐC điện đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (động cơ
AFPM) có tích hợp ổ đỡ từ dọc trục, khi sử dụng hai ổ từ hướng tâm ở hai đầu trục
như minh họa trên hình 1, hiện đang được xếp loại sản phẩm công nghệ cao chứa
đựng nhiều hàm lượng chất xám và đồng thời cũng là sản phẩm công nghệ xanh
mới, mặc dù có những hạn chế trong việc ứng dụng rộng rãi do kích thước lớn và
giá thành cao,… Nhưng trong tương lai gần, khi các nghiên cứu sản xuất được các
vật liệu mới để giảm kích thước và giảm giá thành thì sự thay thế của ĐC điện loại
này cho ĐC điện thông dụng trong các lĩnh vực công nghệ sạch, thiết bị y tế, thiết bị
quốc phòng và công nghiệp vũ trụ,… là điều tất yếu.

Hình 1 Hình ảnh của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục, kích từ nam châm vĩnh cửu, có
tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trong dây quấn stator động cơ

Phạm vi nghiên cứu:
Luận án tập trung nghiên cứu tổng quan về AFPM, từ đó đề xuất chọn cấu hình
nghiên cứu gồm: Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu, có
tích hợp ổ từ chặn chuyển động dọc trục trong dây quấn stator động cơ và hai
ổ đỡ từ hướng tâm hai đầu trục. Trên cơ sở cấu hình đã chọn, tiến hành xây dựng mô
hình toán học của ĐC sau đó thực hiện cấu trúc điều khiển đảm bảo ĐC vừa sinh

2


Mở đầu

mô men quay vừa tạo lực dọc trục để giữ rotor tại vị trí cân bằng. Phân tích và lựa
chọn phương pháp điều khiển phù hợp với đối tượng nhằm đạt được chất lượng điều
khiển cao nhất.
Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu sử dụng là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với
thực nghiệm bằng máy tính và mô hình thực. Các vấn đề khoa học và công nghệ
được tiến hành theo phương pháp kinh điển về nghiên cứu phát triển đó là:
- Nghiên cứu lý thuyết chung về ĐCĐB tạo lực hút dọc trục.
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng xây dựng cấu trúc và thuật điều khiển
đảm bảo phân ly giữa lực nâng và mômen điện từ.
- Nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình thực và hiệu chỉnh.
3. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu và thiết kế điều khiển cho hệ truyền
động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB từ thông dọc trục. Mục tiêu nghiên cứu của
luận án được cụ thể như sau:
- Nghiên cứu mô hình của hệ thống truyền động không tiếp xúc sử dụng
ĐCĐB phục vụ thử nghiệm.
- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển phi tuyến đảm bảo chất lượng hệ thống
truyền động không tiếp xúc sử dụng ĐCĐB. Kiểm chứng chất lượng điều khiển hệ
thống bằng mô phỏng và thực nghiệm.
4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Những đóng góp mới
- Xây dựng được mô hình toán cho động cơ AFPM và tính lực tác dụng dọc
trục có kể đến tương tác của các dòng điện isd, isq và chuyển dịch dọc trục z;
- Thiết kế được bộ điều khiển dòng điện với giải pháp tách kênh triệt để bằng
các bộ bù phân ly;
- Thiết kế bộ điều khiển tốc độ bằng phương pháp Lyapunov sử dụng kỹ thuật
Backstepping;
- Thiết kế thành công bộ điều khiển trượt cho mạch vòng vị trí.
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh các bộ điều khiển cho
ba mạch vòng: Dòng điện, tốc độ và vị trí đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra.
Ý nghĩa khoa học của luận án
3

Mở đầu

- Trong hệ thống truyền động này, trục của ĐC trước khi quay đã được nâng
hoàn toàn trong không gian nhờ hai ổ đỡ từ hướng tâm nên nó không tiếp xúc với
bất kỳ vật nào, do đó chuyển động quay của trục rotor không gây ra hao mòn, không
có ma sát và không cần chất bôi trơn cũng như có khả năng chuyển động ở tốc độ
rất cao.
- Động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra mô
men quay trong hệ thống truyền động không tiếp xúc. Điều khiển thành công hệ
truyền động này sẽ tạo ra sản phẩm có hàm lượng khoa học công nghệ. Ngoài ra
cũng góp phần đáng kể trong việc tiếp cận và làm chủ được một ngành công nghệ
tiên tiến trên thế giới về ứng dụng đệm từ trường.
- Do có tính năng kết hợp vừa tạo mô men quay, vừa tạo lực hút dọc trục, nên
động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu không phải sử dụng
thêm ổ từ chặn chuyển động dọc trục.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng điều khiển động cơ trong các hệ
truyền động có tốc độ cao và siêu cao (bơm hêli lỏng trong máy chụp cộng hưởng từ),
cho xe điện với công suất đến 130 KW, cho các hệ tích trữ cơ năng bằng bánh

đà,…
5. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 04 chương và kết luận, được bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ
Chương 2: Mô hình hóa ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ
Chương 3: Điều khiển ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đỡ từ
Chương 4: Hệ thống thí nghiệm và kết quả thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị

4


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB TỪ THÔNG DỌC TRỤC CÓ TÍCH
HỢP Ổ ĐỠ TỪ
1.1

Mở đầu

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử công suất,
vi xử lý và kỹ thuật máy tính,... thì việc điều chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều trở nên dễ
dàng và đạt được những chỉ tiêu chất lượng cao. Trong các ngành công nghiệp, các
hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện một chiều đang được thay thế bằng hệ
thống truyền động điện sử dụng ĐC điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP). Do đó, các
hệ thống truyền động biến tần điều khiển ĐCXCBP cũng phát triển mạnh mẽ và
mang lại lợi ích kinh tế cao trong sản xuất. Các hệ truyền động ĐCXCBP đã được
nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 80 của thế kỷ trước nhờ
khả năng hoạt động tin cậy, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn. Đặc biệt, hệ biến tần
điều khiển ĐCXCBP đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm vì hệ thống này có
nhiều ưu điểm như: tiết kiệm năng lượng; mômen mở máy lớn do vậy kéo được tải
nặng khi khởi động; việc điều chỉnh tốc độ đơn giản; phạm vi điều chỉnh tốc độ
rộng; có khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ,... ĐCXCBP có các loại đồng bộ và
không đồng bộ. Ưu điểm nổi bật của ĐCĐB là độ ổn định tốc độ cao, các chỉ tiêu
năng lượng như hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao.
Chương này tập trung nghiên cứu tổng quan ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ
nam châm vĩnh cửu trong điều kiện ràng buộc là hai đầu trục của ĐC sử dụng hai ổ
đỡ từ. Các ổ đỡ từ này chỉ đỡ cho trục rotor quay mà không chặn được dịch chuyển
dọc trục của rotor. Để chặn dịch chuyển dọc trục của rotor khi quay, tác giả đề xuất
loại ĐCĐB từ thông dọc trục có cấu tạo đặc biệt, vừa tạo ra mômen quay cho rotor

vừa chặn được chuyển dịch dọc trục của nó. Điều đó, không làm tăng kích thước
của ĐC và cũng không phải sử dụng thêm thiết bị chặn cơ khí nào.
Máy điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài, bắt đầu từ những thí
nghiệm của Michael Faraday (1831) và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh
tế do các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho
kích thước ĐC nhỏ hơn, mạnh mẽ hơn, mang tính động học và có hiệu suất tốt hơn.
Các loại máy điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là ĐC điện
không đồng bộ (KĐB), vì loại ĐC điện này có những đặc điểm như cấu tạo đơn
giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ.

5


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Tuy nhiên, các ĐC điện đồng bộ (ĐB) do có những ưu điểm nhất định nên
trong thời gian gần đây đã được sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh với ĐC điện
KĐB trong lĩnh vực truyền động điện. Về ưu điểm, trước hết phải nói là ĐC điện
ĐB do được kích thích bằng dòng điện một chiều có thể làm việc với cosϕ bằng 1
và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của
lưới điện được nâng cao, làm giảm được tổn thất điện áp lưới và tổn hao công suất
trên đường dây. Ngoài ưu điểm chính đó, ĐC điện ĐB còn ít chịu ảnh hưởng đối với
sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của ĐC chỉ tỷ lệ với điện áp nguồn
cung cấp (U), trong khi mômen của ĐC điện KĐB tỷ lệ với bình phương của điện
2

áp nguồn cung cấp (U ). Vì vậy, khi điện áp của lưới bị sụt thấp do sự cố, khả năng
giữ tải của ĐC điện ĐB lớn hơn; trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, ĐC điện
đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới
điện. Cũng phải nói thêm rằng, hiệu suất của ĐC điện ĐB cao hơn hiệu suất của ĐC

điện KĐB vì ĐC điện ĐB có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn hao sắt từ nhỏ
hơn. Nhược điểm của ĐC điện ĐB so với ĐC điện KĐB ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi
hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng điện một chiều khiến cho giá
thành cao (chủ yếu đối với máy điện đồng bộ cực lồi công suất lớn). Hơn nữa, việc
mở máy ĐC điện đồng bộ cũng phức tạp và việc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể
thực hiện được bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện cung cấp.
1.2

Sự phát triển của máy điện đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu từ thông
dọc trục

Hình 1.1 ĐC điện-từ với rotor dạng đĩa theo bằng sáng chế số 405 858,1889 của N. Tesla
(a- hình chiếu đứng, b- hình chiếu cạnh, c- mặt cắt dọc).

Khi tìm hiểu về lịch sử phát triển của máy điện cho thấy các máy điện đầu tiên
là các máy điện từ thông dọc trục (M. Faraday, 1831, Nhà phát minh vô danh với
các nam châm vĩnh cửu đầu tiên, 1832, W. Ritchie, 1833, B. Jacobi, 1834). Nguyên
mẫu làm việc thô sơ đầu tiên của một máy điện từ thông dọc trục được ghi nhận là
có dạng hình đĩa của M. Faraday (1831) [59].
6


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Cấu tạo kiểu đĩa của các máy điện cũng xuất hiện trong các bằng sáng chế của
N. Tesla, chẳng hạn bằng sáng chế của Mỹ số 405 858 [111] có tiêu đề ĐC điện - từ
và được xuất bản năm 1889 (hình 1.1).Tuy nhiên, không lâu sau khi T. Davenport
(1837) yêu cầu bảo hộ bằng sáng chế đầu tiên [35,106] cho một máy điện từ thông
hướng tâm, các máy điện từ thông hướng tâm thông dụng được chấp nhận rộng rãi
như là cấu hình chủ đạo đối với các máy điện [26,28].

Sự phát triển của máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (Axial
Flux Permanent Magnet - AFPM) khá chậm so với các máy điện từ thông hướng tâm
kích từ nam châm vĩnh cửu (Radial Flux Permanent Magnet - RFPM) nguyên nhân là
do thiếu công nghệ chế tạo máy điện AFPM [118] vì gặp phải các khó khăn như: Lực
hấp dẫn từ tính dọc trục giữa stator và rotor lớn, chi phí cao liên quan đến chế tạo các
lõi stator ghép bằng các lá thép và khó khăn trong lắp ráp máy điện để giữ cho khe hở
không khí đều,…mặt khác, mặc dù hệ thống kích từ nam châm vĩnh cửu (NCVC) đầu
tiên được áp dụng cho máy điện từ đầu những năm 1830, nhưng do chất lượng kém của
các vật liệu từ cứng đã ngăn cản việc sử dụng NCVC. Việc phát minh ra hợp kim
Alnico vào năm 1931, barium ferrite vào những năm 1950 và đặc biệt là vật liệu đất
hiếm neodymium-iron-boron (NdFeB) được công bố năm 1983, đã cho phép sự trở lại
của hệ thống kích từ NCVC. Hiện tại, sự sẵn có của các vật liệu NCVC năng lượng cao
là động lực cho việc khai thác các cấu trúc máy điện kích từ NCVC mới và vì vậy đã
thúc đẩy quá trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng máy điện AFPM. Giá của các
NCVC đất hiếm đã giảm mạnh trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20. Một khảo sát thị
trường cho thấy rằng các NCVC NdFeB hiện nay có thể được mua ở vùng Viễn Đông
với giá < U.S $20/kg. Với sự sẵn có của các vật liệu NCVC giá cả ngày càng rẻ hơn,
các máy điện AFPM có thể đóng một vai trò quan trọng hơn trong tương lai gần. Ngày
nay, máy điện AFPM đã trở thành đối tượng của nhiều nghiên cứu quan trọng khắp thế
giới trong 30 năm qua và giờ đây có thể được xem như là một công nghệ chín muồi,
bằng chứng là việc sử dụng chúng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau, từ hàng tiêu
dùng đến các ứng dụng công nghiệp cao và quân sự, từ các hệ thống năng lượng tái tạo
đến vận tải, đó là những ứng dụng yêu cầu tính cực kỳ nhỏ gọn theo hướng trục đi đôi
với mật độ mô men và hiệu suất cao.

1.3 Các kiểu máy điện từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu
Về nguyên lý, mỗi kiểu của một máy điện từ thông hướng tâm (RFPM) sẽ có
một phiên bản từ thông dọc trục tương ứng. Thực tế, máy điện AFPM được giới hạn
ở ba kiểu sau:
7

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

- Các máy điện cổ góp một chiều kích từ NCVC;
- Các máy điện đồng bộ và một chiều không chổi than kích từ NCVC;
- Các máy điện không đồng bộ (máy điện cảm ứng).
Có thể phân biệt giữa máy điện một chiều có vành góp kích thích vĩnh cửu,
máy điện một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu hay máy điện đồng bộ kích
thích vĩnh cửu có những điểm khác nhau. Máy điện một chiều không chổi than và
máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo giống nhau nhưng khác nhau về
nguyên lý hoạt động. Dạng sóng sức điện động tạo ra bởi máy điện một chiều không
chổi than có dạng hình thang.
Các ĐC cổ góp một chiều AFPM vẫn là một lựa chọn linh hoạt và kinh tế cho
một số ứng dụng công nghiệp, ứng dụng trong ô tô và thiết bị gia dụng nhất định
như quạt gió, quạt thổi, xe điện cỡ nhỏ, dụng cụ điện máy, đồ gia dụng,…
Trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung chủ yếu vào loại ĐCĐB từ thông
dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu (gọi tắt là ĐC AFPM).
Cuối năm 1970 đầu năm 1980, đã xuất hiện nhiều cấu trúc mới của ĐC AFPM
(Campbell, 1975; Leung and Chan, 1980; Weh et al., 1984). Từ đó cho đến nay, sự
quan tâm đến ĐC điện AFPM tăng lên đáng kể và tìm thấy trong nhiều ứng dụng do
ưu điểm của chúng so với các ĐC điện đồng bộ từ thông hướng tâm (ĐC RFPM)
thông dụng [19]. Chẳng hạn như: Vì được kích thích vĩnh cửu nên chúng có hiệu
suất lớn hơn do tổn thất ở mạch kích từ được loại bỏ, giảm đáng kể tổn thất ở rotor.
Hiệu suất của ĐC điện này vì vậy được cải thiện rất nhiều và mật độ công suất đạt
được lớn. Cấu trúc từ thông dọc trục có rất ít vật liệu lõi cho nên đạt được tỷ số mô
men/khối lượng cao. ĐC điện AFPM có các nam châm mỏng, do đó kích thước của
chúng cũng nhỏ hơn so với các ĐC điện RFPM. Kích thước và hình dạng là những
tính năng quan trọng trong các ứng dụng khi không gian lắp đặt có nhiều hạn chế, vì
vậy tính tương thích là rất quan trọng. Tiếng ồn và rung động chúng tạo ra ít hơn so

với các máy điện thông thường, hơn nữa các khe hở không khí của chúng phẳng và
dễ dàng điều chỉnh. Những lợi ích này tạo cho ĐC AFPM nhiều ưu thế so với các
máy điện thông dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Về mặt cấu tạo, ĐC AFPM có những nét đặc biệt riêng, chẳng hạn modul
stator bao gồm: Modul đơn (Hình 1.2) chỉ có một bộ dây quấn và modul kép có hai
bộ dây quấn chung một lõi và quay lưng vào nhau. Rotor cũng tương tự, modul
rotor đơn chỉ một mặt có nam châm vĩnh cửu và modul kép thì cả hai mặt đều có
nam châm vĩnh cửu (Hình 1.2).
8


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Hình 1.2 Các modul cơ bản của ĐC AFPM.

1.3.1 Các cấu hình cơ bản của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
Có nhiều cấu hình ĐC AFPM được phân chia chủ yếu dựa vào số lượng và
cách bố trí các modul stator và rotor, ví dụ như trên hình 1.3. Cấu hình nào mà khả
năng tạo mô men càng cao thì càng hấp dẫn. Trên hình 1.3, giới thiệu bốn cấu hình
cơ bản theo modul (modul stator và modul rotor). Mô men được tạo ra với cấu hình
thứ tư (hình 1.3.d), được kết hợp bởi 5 modul (hai modul stator kép, hai modul rotor
đơn và một modul rotor kép), lớn gấp đôi so với mô men của cấu hình thứ hai và
thứ ba là những cấu hình gồm có 3 modul (hình 1.3c: một modul stator kép và hai
modul rotor đơn) và hình 1.3b (hai modul stator đơn và một modul rotor kép), và
lớn hơn 4 lần mô men được tạo ra ở cấu hình thứ nhất, (hình 1.3a - một modul stator
đơn và một modul rotor đơn).

Hình 1.3 Các cấu hình của máy điện từ thông dọc trục NCVC
a) 1 rotor 1 stator; (b) 1 rotor 2 stator; (c) 2 rotor 1 stator; (d) Cấu trúc nhiều tầng

Cần chú ý rằng các cấu hình minh họa ở hình 1.3b và 1.3c có cùng khả năng tạo

mô men và lựa chọn giữa hai cấu hình này phụ thuộc vào việc ứng dụng cần rotor
bên trong hay rotor bên ngoài. Một số so sánh và ứng dụng như sau:
- ĐC AFPM một tầng như 1.3a có các ứng dụng trong lực kéo công nghiệp, các
truyền động điện cơ servo, quân sự, công nghiệp vận tải, và thang máy không hộp số vì
cấu trúc nhỏ gọn và khả năng sinh mô men cao [52]. Nhược điểm cơ bản của máy
điện này là lực dọc trục không cân bằng giữa stator và rotor, có thể vặn xoắn cấu trúc

một cách dễ dàng [24]. Để đạt được mô men quay cực đại với lực dọc trục cực tiểu,
9


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

có thể sử dụng một số phương pháp là: điều chỉnh các thành phần dòng điện dây
quấn stator, các thành phần này được chiếu lên các hệ trục vuông góc tương ứng với
các vị trí rotor; stator không rãnh; các phương án bố trí ổ đỡ phức tạp; đĩa rotor dầy
hơn và dịch pha dòng điện [25],….
- ĐC AFPM nhiều tầng gồm N modul stator và N+1 modul rotor trên cùng một
trục (Hình 1.3b,c,d). Dây quấn stator có thể được nối song song hoặc nối tiếp. Cấu trúc
nhiều tầng làm tăng mật độ mô men, mật độ công suất mà không làm tăng đường kính
của máy điện. Các ĐC AFPM nhiều tầng có thể dễ lắp ráp hơn so với ĐC RFPM do
khe hở không khí của chúng phẳng [12,20,36,37,38,39,44,46,73,75,78,82,98].

1.3.2 Lựa chọn cấu hình động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
ĐC AFPM có các ưu điểm như: hiệu suất cao, tỉ lệ công suất trên kích thước
lớn, mật độ công suất cao, tuổi thọ lớn, mô men quán tính nhỏ, dải tốc độ làm việc
rộng, tỉ số momen/dòng điện lớn, ít nhiễu, bền vững,… Vì thế, ĐC AFPM đã và
đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ

chất lượng cao như xe điện, robot công nghiệp, máy CNC, các thiết bị y tế, quay
bánh đà trong các hệ tích trữ năng lượng và có những ưu thế gần như tuyệt đối trong
ứng dụng cho ô tô điện,…
Khi có yêu cầu sử dụng ĐC AFPM cho truyền động quay tốc độ càng cao càng
tốt như trục chính máy mài (tốc độ chỉ giới hạn của độ bền cơ học của đá mài) với
yêu cầu tốc độ rất cao (>10.000 v/ph) hoặc khi sử dụng cho bơm khí heli lỏng nhiệt
0c

độ rất thấp (< 0 ),...thì phải sử dụng các ổ đỡ từ hướng tâm (vòng bi từ) hai đầu
trục. Như vậy, khi muốn quay trục rotor ĐC thì trước hết nó sẽ được nâng lên và
không tiếp xúc với phần tĩnh như vòng bi cơ thông thường, điều đó sẽ xuất hiện
chuyển động dọc trục của rotor. Để chặn chuyển động dọc trục này, trong ĐC thông
dụng phải sử dụng thêm ổ từ dọc trục. Điều đó, làm cho cấu trúc hệ thống trở nên
rất cồng kềnh. Nhiều nghiên cứu gần đây, đã đưa ra mô hình tích hợp ổ từ dọc trục
vào dây cuốn stator ĐC nhằm giảm kích thước chung cho hệ thống. Vì lý do đó,
trong nghiên cứu này ta chọn đối tượng nghiên cứu là ĐC AFPM có cấu trúc hai
modul stator hai bên và một modul rotor kép ở giữa.
Ngoài ra, các ĐC AFPM còn phân biệt với nhau qua một số đặc điểm về cấu tạo,
chẳng hạn như: Modul rotor có các phiến nam châm hình dải quạt được gắn trên bề mặt
hoặc chìm bên trong lõi, modul stator có sẻ rãnh hoặc không có rãnh, có lõi

10


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

phần ứng hoặc không có lõi, dây quấn trên stator dạng vòng hoặc dạng trống, một
tầng hoặc nhiều tầng,…
1.3.3 Mô hình truyền thống về ổ đỡ trục động cơ
Từ trước đến nay, các hệ truyền động thông dụng sử dụng các loại ĐC điện

thông dụng tạo mô men quay trên trục, thường có các ổ đỡ hai đầu trục là các vòng
bi (ổ đỡ hoặc ổ đỡ và chặn) như minh họa trên hình 1.4.

Hình 1.4 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng
(1- Trục; 2- Rotor; 3- Stator và dây quấn; 4- Vòng bi trái; 5- Vòng bi phải).

1.3.4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đỡ trục ĐC
Ý tưởng về việc treo một đối tượng bằng từ trường đã được đặt ra từ giữa những
năm 1842 trong bài báo của Earnshaw (On the nature of molecular forces), mãi đến
năm 1934 Braunbeck mới đề cập sử dụng lực nâng bằng từ trường, những hoạt động
sản xuất công nghiệp tại thời điểm đó về ổ đỡ từ được thực hiện bởi tập đoàn S2M ở
Vernon, Pháp. Rất nhiều thí nghiệm và các ứng dụng thực tế của ổ từ đã trở thành hiện
thực từ những năm 1960. Tuy nhiên, giá thành và độ phức tạp của nó đã cản trở việc
ứng dụng và phát triển trong công nghiệp. Từ những năm 1988 trở lại đây, do sự phát
triển trong công nghệ điều khiển, cả về phần cứng lẫn phần mềm cũng như kỹ thuật vật
liệu và công nghệ chế tạo cơ khí,... góp phần làm giảm kích thước, độ phức tạp cũng
như giá thành của ổ từ. Điều đó, đã tạo cơ hội cho việc phát triển sử dụng ổ từ trong
công nghiệp và trong các dụng cụ cao cấp của y sinh học. Ổ đỡ từ là một loại

ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường
(Hình 1.5) được đẩy mạnh nghiên cứu ở nhiều quốc gia và đã có các ứng dụng cụ thể.
Cấu tạo ổ từ tương tự như ĐC điện, nguyên lý làm việc lại như một nam châm điện,
thay vì việc sinh mô men quay cho rotor ổ từ và ngõng trục ĐC, thì nó lại sinh các lực
hút theo các phương x và y (với ổ từ chủ động hướng tâm) hoặc theo hướng trục z (với
ổ từ hướng trục). Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau, cho nên ổ đỡ
từ đang được coi là một ngành công nghệ trọng điểm của thế kỷ 21, có

11

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

thể đem lại nhiều bước đột phá cho các ngành công nghiệp chế tạo và sản xuất nhờ
những ưu điểm nổi bật mà vòng bi không có được như: Không có hao mòn khi vận
hành do phần quay của ĐC không tiếp xúc với bất kỳ bộ phận nào; Tăng hiệu suất
của ĐC nhờ chuyển động không có ma sát; Thân thiện với môi trường: Không có bộ
phận bôi trơn; khả năng làm việc với tốc độ rất cao và loại bỏ các rung động khi
chuyển động; khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt (chân không;
nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp).

Hình 1.5 Ổ đỡ từ hướng tâm chủ động

Nhưng hệ thống truyền động điện sử dụng ổ từ cũng tồn tại những nhược điểm
như là kích thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành rất cao. Điều này làm cho ĐC
điện dùng ổ từ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân
dụng.

Hình 1.6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đỡ từ hướng tâm và hướng
trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục).

Để nhận thấy điều này ta sẽ phân tích cấu trúc của một ĐC điện sử dụng ổ từ
thông thường được mô tả ở hình 1.6. Khi vòng bi cơ bị loại bỏ thì ĐC điện sử dụng
ổ từ sẽ bao gồm nhiều thành phần. Trong đó, hai ổ từ ngang trục được sử dụng để
12


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

nâng trục quay theo hướng x, y, còn một ổ từ dọc trục dùng để chặn chuyển động
theo hướng z của rotor ĐC, ĐC điện có vai trò tạo ra chuyển động quay ω. Kết quả

là ĐC điện sử dụng ổ từ thì trục của nó có 6 bậc tự do.
Sơ đồ nguyên lý của ổ đỡ từ chủ động (AMB) hướng tâm (hình 1.7a) và ổ đỡ
từ dọc trục (hình 1.7b) là loại có thể điều chỉnh được lực điện từ bằng dòng điện, nó
có cấu tạo giống ĐC điện (stator xẻ rãnh và đặt dây quấn, rotor làm bằng vật liệu từ
tính đặc biệt) nhưng nguyên lý làm việc của nó lại giống nam châm điện [15,50,91].

Hình 1.7 Cấu tạo ổ từ chủ động (AMB): hướng tâm (a), dọc trục (b).

1.3.5 Mô hình tích hợp ổ từ dọc trục vào động cơ đồng bộ từ thông dọc trục
Các nghiên cứu gần đây đang tập trung vào việc giảm kích thước và giá thành
cho ĐC có sử dụng ổ từ thông qua việc tích hợp chức năng của ổ từ vào ĐC. Thành
công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A. Chiba tại đại học
Tokyo – Nhật Bản.
Bằng cách tích hợp chức năng của ổ từ hướng tâm vào ĐC điện, kích thước
của ĐC điện dùng ổ từ đã được giảm đáng kể (giảm khoảng 25%) tuy nhiên cấu trúc
của ĐC phức tạp do đây chỉ là tích hợp cơ học (cuộn dây ổ từ được quấn cạnh cuộn
dây ĐC) và số bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng cho ĐC vẫn giữ nguyên. Do đó
giá thành của ĐC kiểu này vẫn cao.
Hướng nghiên cứu khác tập trung vào việc kết hợp chức năng của ổ từ dọc trục
vào ĐC [91] (Hình 1.8). Thông qua phương pháp điều khiển mới, ĐC có thêm chức
năng sinh ra lực đẩy kéo dọc trục mà không cần bổ xung thêm dây quấn phụ.
Bằng cách này phần cứng của ổ từ dọc trục được loại bỏ hoàn toàn, kết quả là
kích thước và giá thành của ĐC điện dùng ổ từ sẽ suy giảm đáng kể.
13


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

Hình 1.8 Mặt cắt ĐC AFPM có tích hợp ổ đỡ từ hai đầu trục
1: Trục; 2, 3: Stator của ĐC phải và ĐC trái; 4: Rotor của ĐC; 5,6: Rotor của AMB trái

và AMB phải; 7,8: Stator và dây quấn của AMB trái và AMB phải; z 0, g0: Khe hở danh
định giữa rotor và stator của ĐC và AMB.

1.4

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Các hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC điện có tích hợp chức năng ổ đỡ từ
như máy bơm, tuốc bin khí, máy nén khí, máy công cụ,… sẽ có hiệu suất cao do ít
tổn hao. Chính vì vậy, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả
trong hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất
12MW với tốc độ quay là 12.000 vòng/phút sử dụng ĐC điện dùng ổ đỡ từ được
thay thế cho ĐC sử dụng ổ thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700.000
kWh/năm [61].
Với ưu điểm này, ĐC điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ đang được đẩy mạnh
nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, công nghệ hóa học (bơm
hóa chất [80]), công nghệ y sinh học (bơm máu trong tim nhân tạo [86,110]). Một
hướng nghiên cứu nữa cũng đang được quan tâm là sử dụng ĐC điện với chức năng
tích hợp với ổ đỡ từ làm việc trong môi trường sạch tuyệt đối, môi trường khắc
nghiệt (chân không, có nhiệt độ rất cao và rất thấp,... Trong thực tế, các hệ truyền
động điện sử dụng ĐC có tích hợp chức năng ổ từ, đã làm việc trong môi trường
chân không không cần chất bôi trơn ổ trục, làm việc trong các môi trường rất lạnh
0

0

(bơm khí helium lỏng: -176 C [71]) hoặc rất nóng (550 C [90]).
Việc giảm kích thước và giá thành cho hệ thống truyền động điện sử dụng ĐC
điện có chức năng tích hợp ổ đỡ từ là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Thành công ban đầu theo hướng này là nhóm nghiên cứu của giáo sư A. Chiba tại

14