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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

DƯƠNG QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC
KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

DƯƠNG QUỐC TUẤN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC
KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9 52 02 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
PGS.TS. Trần Xuân Minh

THÁI NGUYÊN - 2020
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 06 năm 2020
Tác giả luận án

Dương Quốc Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 đơ quy 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 to 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 đơ 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 y kiến đóng góp quy báu để tôi hoàn chỉnh
bản luận án này.
Xin chân thành cảm ơn bố mẹ, các em và người vợ yêu quy 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 06 năm 2020
Tác giả luận án

Dương Quốc Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................iv
MỤC LỤC...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................xii
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, y 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
HỢP Ổ ĐỠ TỪ 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 đơ trục động cơ ............................................11
1.3.4 Mô hình ĐC thông dụng sử dụng ổ từ đơ 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...................................................................28
1.6 Kết luận...............................................................................................................29
CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC
KÍCH TỪ NCVC TÍCH HỢP Ổ ĐỠ TỪ DỌC TRỤC.............................................30

2.1 Cấu tạo và nguyên ly làm việc của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ
nam châm vĩnh cửu ...................................................................................................30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Mục lục
2.1.1 Cấu tạo .....................................................................................................30
2.1.2 Nguyên ly làm việc động cơ đồng bộ từ thông dọc trục NCVC .............31
2.2 Mô hình toán học của động cơ từ thông dọc trục kích từ NCVC.......................32
2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................32
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 ...........................................33
2.3 Tính toán lực hút dọc trục...................................................................................36
2.3.1 Xác định lực dọc trục của ĐCĐB từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh
cửu 36
2.3.2 Mô hình toán học của ĐC AFPM ............................................................47
2.4 Kết luận...............................................................................................................49
CHƯƠNG 3 :

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ THÔNG DỌC TRỤC51

3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ động cơ AFPM .........................................................51
3.1.1 Cấu trúc điều khiển tổng quát..................................................................51
3.1.2 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp kinh điển .........52
3.1.3 Thiết kế điều khiển động cơ AFPM bằng phương pháp BacksteppingSMC
57
3.2 Các kết quả mô phong ........................................................................................64
3.2.1 Mô phong hệ thống với mạch vòng ngoài PID, mạch vòng dòng điện

PID 64
3.2.2 Mô phong hệ thống với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt ...............71
CHƯƠNG 4 :

HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....80

4.1 Hệ thống thí nghiệm ...........................................................................................80
4.2 Kết quả thực nghiệm...........................................................................................96
4.2.1 Động cơ chạy với tốc độ nho hơn tốc độ định mức n=1500 vòng/phút ..96
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................100
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .102
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................104
PHỤ LỤC................................................................................................................116

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 .......................84
Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của Encoder RE30E-500-213-1...................................86
Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A.......86

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

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

B,
B
C3
/2,

C2
C3
s/2r

,
C2
s/2r

,
L
F1
,FL
Fp
,go
i ,
iiA,
iiBd,,
iIqp,
Iisd

f
,J,
jKr n

Đ
ơ

TM
ật
M
a
trậ
M
a
trậ
M
a
trậ
M
NaLự
NcLự
cSứ
c
mK
m
Th
Ahe
àn
ACá
AcD

Aòn
D
Aòn
Th
K àn
M
G ôH

l

Ls
,
dM

HệTh
Nàn
M

,
1M

m
NôM
môSố

đt

N
np
R

Rs
,S

vò
Số
đô
M
aĐi
Di
mện
ện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Danh mục các ky hiệu, các chữ viết tắt
Sp

mDi
ện
sH
ằn
sH

Ts
dT,
e

A
u,d

Đi
Vằn
ện
VC
Vác
Đi

,us
,
dW

Vện
T
hà
N

m

măn
Kí
m
mch
Đ

,u

,u

w
lz

m
ộT
W
bừ
W
T
p
bừ
 raG
dóc
 W
T
bừ
o TĐ
mộ

raT
d/ốc
s,

raVị
dtrí
,
 sH
ằn

,



Các chỉ số bên phải, trên cao:
f

đại lượng mô tả trên hệ tọa độ T4R (hệ tọa độ dq quay đồng bộ với

vector từ thông.
s, r

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Danh mục các ky hiệu, các chữ viết tắt
C
h
ữ
A
F
A
G
A
M
A

M
Đ
B
Đ
C
Đ
C
Đ
H
B
S
C
A
C
N
C
F
D
S
D
S
E
V
F
E
F
E
F
S
F

V
H
T
L
Q
L
S
L
S
M
IN
C

Danh mục các chữ viết tắt
Ý nghĩa
Axial Flux Permanent Magnet (từ thông dọc trục kích thích vĩnh
cửu)
axial gap self- bearing machine (máy điện tự nâng có khe hở dọc
trục)
Active Magnetic Bearing (ổ đơ từ chủ động)
amorphous magnetic materials (vật liệu từ vô định hình)
Đồng bộ
Động cơ
Động cơ đồng bộ
Đại học
Bismuth strontium calcium copper oxide
Controller Area Network
Computer Numeric Control (Điều khiển số dùng máy tính)
computational fluid dynamic (động học chất lỏng tính toán)
Digital signal processor (Xử ly tín hiệu số)

Double stator single rotor (hai stator một rotor)
electric vehicle (Xe điện)
Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn) Finite
element method (Phương pháp phần tử hữu hạn) Fractionalslot concentrated-winding (dây quấn tập trung rãnh phân số)
Finite Volume Analysis (phân tích thể tích hữu hạn)
high-temperature superconducting (siêu dẫn nhiệt độ cao)
Linear Quadratic Gaussian
Line start AFPM (AFPM khởi động trực tiếp)
Line start permanent magnet (Máy điện kích thích vĩnh cửu khởi
động trực tiếp)
multiple-input multiple-output (nhiều đầu vào nhiều đầu ra)
nam châm vĩnh cửu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Danh mục các ky hiệu, các chữ viết tắt
N
G
N
S
P

N
O
N
oP

C
P
P
PI

eP
oP

D
P
M
R
F
L
R
S

rP
eR

M
S
M
S
S
S

ls
o
f

S
oS

S
S
S
st

iS
is

đT
F
T

ứ
t
rT

4

ự
X
íy
t

X
N
Y
B

a
d
L
eS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 đơ từ hướng tâm chủ động .....................................................................12
Hình 1.6 Mặt cắt mô hình ĐC điện thông dụng có tích hợp ổ đơ từ hướng tâm và
hướng trục (1: Trục; 2: Rotor; 3: Stator; 4: Ổ từ hướng tâm; 5: Ổ từ dọc trục). ......13
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 đơ từ hai đầu trục ..................................14
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của động cơ AFPM tích hợp chức năng ổ đơ từ dọc trục ..30
Hình 2.2 Vector dòng stator khi ĐCĐB làm việc trong dải tốc độ quay danh định .32
Hình 2.3 Mô hình liên tục của của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục....................36
Hình 2.4 Mạch từ lõi thép chữ C...............................................................................37

Hình 2.5 Quan hệ phi tuyến giữa từ thông móc vòng  và dòng điện i...................40
Hình 2.6 Mô hình xác định các từ thông móc vòng của ĐC AFPM.........................42
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 ............................................................................................................43
Hình 2.8 Sơ đồ thay thế mạch từ của ĐC đồng bộ từ thông dọc trục NCVC ...........43
Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của ĐC AFPM có tích hợp ổ từ dọc trục ...............49
Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển vectơ của động cơ đồng bộ từ thông dọc trục ...........51
Hình 3.2 Cấu trúc dòng điện của động cơ AFPM.....................................................53
Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện có khâu tách kênh Rii. ..........................54
Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ .....................................................................55
Hình 3.5 Mạch vòng điều khiển khoảng cách trục ...................................................57
Hình 3.6 Cấu trúc mô phong điều khiển động cơ AFPM .........................................65
Hình 3.7 Kết quả mô phong động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định
mức và chưa có lực dọc trục tác động.......................................................................66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Danh mục hình vẽ
Hình 3.8 Kết quả mô phong động cơ AFPM trong chế độ làm việc với tốc độ định
mức và có lực tác động dọc trục. ..............................................................................67
Hình 3.9 Kết quả mô phong động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và chưa có
lực tác động dọc trục. ................................................................................................69
Hình 3.10 Kết quả mô phong động cơ AFPM trong chế độ làm việc có tải và có lực
tác động dọc trục. ......................................................................................................70
Hình 3.11 Cấu trúc mô phong với bộ điều khiển Backstepping ...............................71
Hình 3.12 Kết quả mô phong với mạch vòng ngoài Backstepping-trượt .................72
Hình 3.13 Kết quả mô phong với bộ điều khiển Backstepping động cơ không tải và

có lực dọc trục tác động ............................................................................................74
Hình 3.14 Kết quả mô phong với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và
không có lực dọc trục tác động
............................................................................................75
Hình 3.15 Kết quả mô phong với bộ điều khiển Backstepping động cơ có tải và có
lực dọc trục tác động .................................................................................................76
Hình 3.16 So sánh kết quả mô phong của hai phương pháp....................................78
Hình 4.1 Cấu trúc của hệ thống thí nghiệm ..............................................................80
Hình 4.2 Động cơ AFPM ..........................................................................................81
Hình 4.3 Stator của động cơ AFPM..........................................................................81
Hình 4.4 Sơ đồ đấu dây Stator của động cơ AFPM ..................................................82
Hình 4.5 Rotor của động cơ AFPM ..........................................................................82
Hình 4.6 Động cơ AFPM với tải là máy phát một chiều ..........................................83
Hình 4.7 Bộ nguồn một chiều lập trình được............................................................83
Hình 4.8 Cấu tạo và nguyên ly hoạt động của encoder.............................................85
Hình 4.9 Encoder RE30E-500-213-1 của NIDEC COPAL......................................85
Hình 4.10 Cảm biến đo khoảng cách SENTEC LS 500D-2A ..................................86
Hình 4.11 dSPACE DS1104 .....................................................................................87
Hình 4.12 Connector/LED panel CLP1104 ..............................................................88
Hình 4.13 Cấu trúc phần cứng của DS1104..............................................................89
Hình 4.14 Thư viện dSPACE RTI1104 ....................................................................92
Hình 4.15 Giao diện điều khiển hệ thống .................................................................93
Hình 4.16 Hệ thống thí nghiệm động cơ AFPM .......................................................93
Hình 4.17 Toolbars của ControlDesk .......................................................................94
Hình Số
4.18
lập thời
gianliệu
quan
sát thí

nghiệm
Capture
settings.........................95
hóaThiết
bởi Trung
tâm Học
và Công
nghệ
thông tin
– ĐHTN



Danh mục hình vẽ
Hình 4.19 Kết quả thực nghiệm ĐC chạy với tốc độ nho hơn tốc độ định mức ......97
Hình 4.20 Kết quả thực nghiệm động cơ với tốc độ bằng tốc độ định mức .............98

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Mở đầu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




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 nho 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 dương và thay thế các vòng bi cơ. Trong nhiều ứng dụng
thực tế, vấn đề bảo dương và thay thế vòng bi cơ thực sự rất khó khăn đòi hoi
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 điện dùng ổ đơ từ 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 điện dùng ổ đơ từ 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 điện dùng ổ đơ từ 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 bo được chất bôi trơn,

hệ thống truyền động điện dùng ổ đơ từ 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 Số
điện
dùng ổ đơ từ sử dụng ĐCĐB là một sản phẩm khoa học
công nghệ mới
hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN



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 y nghĩa.
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 đơ 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 đơ 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 đơ 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
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 ly thuyết chung về ĐCĐB tạo lực hút dọc trục.
- Ứng dụng các phần mềm mô phong 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:
- Xây dựng được mô hình của hệ thống truyền động điện dùng ổ đơ từ sử dụng
ĐCĐB phục vụ thử nghiệm.
- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển phi tuyến đảm bảo chất lượng hệ thống
truyền động điện dùng ổ đơ từ sử dụng ĐCĐB. Kiểm chứng chất lượng điều khiển
hệ thống bằng mô phong 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 phong 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
- Trong hệ thống truyền động này, trục của ĐC trước khi quay đã được nâng
hoàn toàn trong không gian nhờ hai ổ đơ 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 điện dùng ổ đơ từ. 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 long 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 đơ từ
Chương 2: Mô hình hóa ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đơ từ
Chương 3: Điều khiển ĐCĐB từ thông dọc trục có tích hợp ổ đơ từ
Chương 4: Hệ thống thí nghiệm và kết quả thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị


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 ly 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 nho 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
đơ từ. Các ổ đơ từ này chỉ đơ 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 gioi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho
kích thước ĐC nho 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.


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 cos 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 áp nguồn cung

cấp (U2). 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 tổn hao sắt từ nho hơn. Nhược điểm của ĐC điện ĐB so với ĐC
điện KĐB ở chỗ cấu tạo phức tạp, đòi hoi 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


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục
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].
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


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục

tải, đó là những ứng dụng yêu cầu tính cực kỳ nho 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


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục
Về nguyên ly, 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:
- 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 ly 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 cơ nho, 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 bo, 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 nho 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.


Chương 1: Tổng quan về ĐCĐB từ thông dọc trục
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).

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