Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá ly hợp mrf dùng để điều khiển tốc độ và mô mem của động cơ ac

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỖ HỮU MINH HIẾU

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
ĐÁNH GIÁ LY HỢP MRF
DÙNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ MÔ MEN
CỦA ĐỘNG CƠ AC
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018



Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Viễn Quốc
Người phản biện 1: ...................................................................................................
Người phản biện 2: ...................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại
học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày … tháng … năm 201…
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ...................................................................... - Chủ tịch Hội đồng
2. ...................................................................... - Phản biện 1
3. ...................................................................... - Phản biện 2
4. ...................................................................... - Ủy viên
5. ...................................................................... - Thư ký
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ


BỘ CƠNG THƯƠNG
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đỗ Hữu Minh Hiếu

MSHV: 16000671

Ngày, tháng, năm sinh: 28/02/1987

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá ly hợp MRF dùng để điều khiển tốc
độ và mô mencủa động cơ AC
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh và ly hợp sử dụng MRF
Nội dung 2: Tính tốn, thiết kế tối ưu ly hợp MRF
Nội dung 3: Thiết kế chi tiết, chế tạo ly hợp MRF
Nội dung 4: Thực nghiệm đánh giá tính năng của ly hợp MRF và so sánh với kết quả

lý thuyết.
Nội dung 5: Thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển động cơ AC dùng ly hợp MRF
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 04/QĐ–ĐHCN ngày 03/01/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018
V. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Viễn Quốc.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Viễn Quốc
TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Q thầy cơ kính mến! Em xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại học Công
nghiệp Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt và giúp em có được những
kiến thức quý giá, đặc biệt giúp em hồn thành khóa học này.
Em xin chân thành gửi đến thầy TS. Nguyễn Viễn Quốc, thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc
Hưng lời cám ơn và tri ân sâu sắc, nhất là trong thời gian thực hiện luận văn, thầy đã
hướng dẫn và hỗ trợ em hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các bạn học viên lớp CHCK6A, lớp CHCK7A và
các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu, nhất
là đã hỗ trợ em hồn thành luận văn này.
Xin kính chúc q thầy cô, đồng nghiệp, cùng các bạn học viên sức khỏe, hạnh phúc
và thành công trong công tác và trong cuộc sống.
Gia đình, bạn bè những người đã khơng ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.

i

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong cơng nghiệp, động cơ AC được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, nguồn
điện sẵn có, chi phí bảo trì sửa chữa thấp. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của động
cơ AC so với động cơ DC là việc điều khiển tốc độ và mơ men rất khó khăn, địi hỏi
mạch điều khiển và thuật toán điều khiển phức tạp, đắt tiền. Đây là hạn chế cơ bản
trong việc áp dụng rộng rãi động cơ AC trong các hệ thống tự động trong công nghiệp.
Một trong những giải pháp để điều khiển động cơ điện AC đơn giản, thuận lợi hơn là
dùng ly hợp.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ phát triển các loại ly hợp MRF mới khắc phục
hoặc hạn chế các nhược điểm trên của ly hợp MRF được nghiên cứu trước đây để
phù hợp hơn cho việc điều khiển tốc độ và mô men đầu ra của động cơ AC. Bên cạnh
đó, trong nghiên cứu này chúng tơi cịn nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển
tốc độ và mô men đầu ra của động cơ AC dùng ly hợp MRF. Các loại động cơ DC
trong các hệ thống điều khiển như rô bốt, băng tải…sẽ được thay thế bằng các loại
động cơ AC rẻ tiền và tiện dụng hơn.

ii


ABSTRACT
In industry, the AC motor is widely used because of low price, power availability,
low cost maintenance. The main disadvantages of AC motors compared to DC motors
are difficulty in speed and torque control, requiring expensive controllers with
complex control algorithms. This is the basic limitations in the widespread adoption
of AC motor systems for industrial automation. One feasible solution for AC motor
control is using MRF (magneto-rheological fluid) based clutches (shortly called MR
clutches).
Although there have been many studies on MR clutches, most of these clutches used

traditional configuration with coils wound on the middle cylindrical part and a
compotator is used to supply power to the coils. Therefore, this type of MR clutches
possesses many disadvantages such as high friction and unstable applied current due
to commutator, complex structure which causes difficulty in manufacture, assembly,
and maintenance. In addition, the bottleneck problem of magnetic field is also a
challenging issue. In this research, we did develop a new type of MR clutches that
overcomes the above mentioned disadvantages of traditional MR clutches and more
suitable for application in controlling of AC motor. Besides, in this study, speed and
torque control system for AC motors using developed MR clutches was designed and
experimental validated.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn
của thầy TS. Nguyễn Viễn Quốc, thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên

Đỗ Hữu Minh Hiếu

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................... viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................. ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................ 3
2.1 Mục tiêu của đề tài ............................................................................. 3
2.2 Nội dung nghiên cứu. ......................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 3
4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu ....................................... 5
4.1 Phương pháp luận. ............................................................................. 5
4.2 Phương pháp nghiên cứu. ................................................................... 5
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..................................................................... 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................... 7
1.1 Giới thiệu MRF ..................................................................................... 7
1.2 Khái quát về ly hợp: .............................................................................. 8
1.3 Các vấn đề còn tồn tại và lý do chọn đề tài: ........................................... 9
CHƯƠNG 2 LY HỢP LƯU CHẤT TỪ BIẾN DÙNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ AC ......................................................................................................... 13
2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ............................................................... 13
2.2 Chọn vật liệu chế tạo phanh ................................................................ 15
2.2.1 Lưu chất MRF............................................................................... 15
2.2.2 Thép C45 ...................................................................................... 17
2.2.3 Vật liệu làm trục ........................................................................... 17
2.2.4 Cuộn dây....................................................................................... 17
2.2.5 Vòng phốt ..................................................................................... 18
2.2.6 Đĩa chứa cuộn dây......................................................................... 18
2.3 Tính tốn mơmen truyền động của ly hợp ........................................... 18
2.4 Tính tốn từ trường của ly hợp MRF ................................................... 19

v

2.4.1 Phương pháp giải tích ................................................................... 19
2.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................... 21
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, TỐI ƯU HÓA LY HỢP LƯU CHẤT TỪ BIẾN .. 22
3.1 Bài toán tối ưu: .................................................................................... 22
3.2 Kết quả bài toán tối ưu ........................................................................ 23
3.4 Thiết kế ly hợp dựa trên kết quả tối ưu ................................................ 28
3.5 Thiết kế chi tiết ly hợp MRF dựa vào kết quả tối ưu............................ 29
CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO LY HỢP MRF........................................................ 35
4.1 Chế tạo các bộ phận cơ bản của ly hợp ................................................ 35
4.1.1 Chi tiết đĩa ly hợp.......................................................................... 35
4.1.2 Chi tiết trục dẫn............................................................................. 35
4.1.3 Chi tiết vỏ ngoài trái...................................................................... 36
4.1.4 Chi tiết vỏ ngoài phải .................................................................... 36
4.1.5 Chi tiết trục bị dẫn......................................................................... 37
4.1.6 Chi tiết vỏ trong trái ...................................................................... 37
4.1.7 Chi tiết vỏ trong phải .................................................................... 38
4.1.8 Chi tiết ống trụ vỏ trong ................................................................ 38
4.1.9 Chi tiết đĩa chứa cuộn dây và cuộn dây ......................................... 39
4.1.10 Lắp ráp ly hợp ............................................................................. 40
CHƯƠNG 5 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ AC BẰNG LY
HỢP MRF .................................................................................................... 41
5.1 Hệ thống thí nghiệm kiểm tra tính năng của ly hợp ............................. 41
5.2 Thiết kế chế tạo mô hình điều khiển động cơ AC dùng ly hợp ............ 44
5.2.1 Sơ đồ thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ: ................................ 44
5.2.2 Điều khiển tốc độ động cơ: ........................................................... 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 49
1. Về mặt thiết kế, tối ưu ........................................................................... 49
2. Về mặt chế tạo ...................................................................................... 49

3. Về mặt điều khiển ................................................................................. 49
4. Hướng phát triển ................................................................................... 49
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA HỌC VIÊN.................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 51

vi


PHỤ LỤC..................................................................................................... 52
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN.............................................. 57

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Hệ số lưu biến của MRF – 132DG ..........................................................16
Bảng 2.2 Vật liệu các chi tiết bên trong ly hợp.......................................................18
Bảng 3.1 Các thông số của ly hợp tại giá trị tối ưu .................................................28

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường............................................ 7
Hình 1.2 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa BingHam ................ 8
Hình 1.3 Cấu trúc của ly hợp MRF dùng điều khiển tốc độ động cơ DC [7] ..........10
Hình 1.4 Cấu tạo của ly hợp có cuộn dây cố định [8] .............................................11
Hình 2.1 Cấu hình MRF đề xuất ............................................................................14
Hình 2.2 Mơ phỏng đường sức từ của ly hợp bằng phần mềm ANSYS ..................14
Hình 2.3 Đường cong B-H của MRF – 132DG ......................................................16

Hình 2.4 Đường cong B-H của thép C45 ...............................................................17
Hình 3.1 Mơ hình phần tử hữu hạn ly hợp đề xuất .................................................24
Hình 3.2 Mơ hình phần tử hữu hạn ly hợp truyền thống .........................................24
Hình 3.3 a,b,c,d Giá trị tối ưu của MRC đề xuất ....................................................26
Hình 3.4 a,b,c,d Giá trị tối ưu của MRC truyền thống ............................................27
Hình 3.5 Bản vẽ lắp ly hợp ....................................................................................29
Hình 3.6 Đĩa ly hợp ...............................................................................................30
Hình 3.7 Vỏ ngồi trái ...........................................................................................30
Hình 3.8 Vỏ ngồi phải ..........................................................................................31
Hình 3.9 Trục dẫn ..................................................................................................31
Hình 3.10 Trục bị dẫn ............................................................................................32
Hình 3.11 Vỏ ngồi phải ........................................................................................32
Hình 3.12 Vỏ trong phải ........................................................................................33
Hình 3.13 Mặt bích ................................................................................................33
Hình 3.14 Ống trụ vỏ trong ....................................................................................34
Hình 3.15 Đĩa chứa cuộn dây .................................................................................34
Hình 4.1 Chi tiết đĩa ly hợp....................................................................................35
Hình 4.2 Mơ tả chi tiết trục dẫn .............................................................................36
Hình 4.3 Mơ tả chi tiết vỏ ngồi trái ......................................................................36
Hình 4.4 Mơ tả chi tiết vỏ ngồi phải .....................................................................37
Hình 4.5 Mơ tả chi tiết trục bị dẫn .........................................................................37
Hình 4.6 Mơ tả chi tiết vỏ trong trái .......................................................................38
Hình 4.7 Mơ tả chi tiết vỏ trong phải .....................................................................38
Hình 4.8 Mơ tả chi tiết ống vỏ trụ trong .................................................................39
Hình 4.9 Mơ tả chi tiết đĩa chứa cuộn dây ..............................................................39
Hình 4.10 Các bộ phận của ly hợp trước khi lắp ráp ..............................................40
Hình 5.1 Thiết lập thử nghiệm để kiểm tra mơ men truyền động của ly hợp ..........41
Hình 5.2 Thí nghiệm đáp ứng mơ men của ly hợp .................................................43
Hình 5.3 Mơ hình hệ thống thí nghiệm điều tốc độ đầu ra với các tải khác nhau ....45

ix


Hình 5.4 Hệ thống thực nghiệm điều tốc độ đầu ra với các tải khác nhau...............45
Hình 5.5 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tốc độ đầu ra bộ ly hợp ....................47
Hình 5.6 Thí nghiệm điều khiển ổn định tốc độ đầu ra của ly hợp..........................48

x


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
MRC

Magneto Rheological Clutch

Ly hợp lưu chất từ biến

MRF

Magneto Rheological Fluid

Lưu chất từ biến

FEA

Finite Element Analysis

Phân tích phần tử hữu hạn

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

xi



MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong công nghiệp, động cơ AC được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, nguồn
điện sẵn có, chi phí bảo trì sửa chữa thấp. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của động
cơ AC so với động cơ DC là việc điều khiển tốc độ và mơ men rất khó khăn, địi hỏi
mạch điều khiển và thuật toán điều khiển phức tạp, đắt tiền. Đây là hạn chế cơ bản
trong việc áp dụng rộng rãi động cơ AC trong các hệ thống tự động trong công nghiệp.
Một trong những giải pháp để điều khiển động cơ điện AC đơn giản, thuận lợi hơn là
dùng ly hợp.
Tuy đã có nhiều nghiên cứu về ly hợp MRF, nhưng hầu hết các ly hợp này dùng kiểu
ly hợp MRF truyền thống với cuộn dây quấn trên phần trụ giữa của ly hợp và dùng
cơ cấu cổ góp điện để cấp cho cuộn dây. Do vậy các ly hợp kiểu này có rất nhiều các
khuyết điểm như lực ma sát lớn và dòng điện cấp cho các cuộn dây khơng ổn định do
sử dụng cổ góp điện, kết cấu phức tạp khó chế tạo, lắp ráp, bảo dưỡng và hiện tượng
thắt cổ chai của từ trường do cuộn dây quấy trên phần trụ giữa. Trong nghiên cứu
này, tôi sẽ phát triển các loại ly hợp MRF mới khắc phục hoặc hạn chế các nhược
điểm trên của ly hợp MRF truyền thống để phù hợp hơn cho việc điều khiển tốc độ
và mô men đầu ra của động cơ AC. Bên cạnh đó, trong nghiên cứu này tơi cịn nghiên
cứu và chế tạo hệ thống điều khiển tốc độ và mô men đầu ra của động cơ AC dùng ly
hợp MRF.
Tính cấp thiết của đề tài:

Ở việt Nam, chúng ta chưa thể chế tạo các mạch điều khiển động cơ AC thương mại,
mà chủ yếu sử dụng các mạch điều khiển động cơ AC do các nhà sản xuất động cơ
cung cấp. Đây là trợ ngại rất lớn trong nghiên cứu, cải tiến và phát triển tự động hóa
các hệ thống công nghiệp tại Việt Nam hiện nay. Hiện nay trong nước và trên thế giới
có rất ít các nghiên cứu về ứng dụng ly hợp trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động
cơ điện AC. Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo một hệ thống điều khiển tốc độ và mô

1


men đầu ra của động cơ AC dùng ly hợp có thể dùng chung cho tất cả các loại động
cơ là rất cần thiết.
Đã có nhiều loại ly hợp được nghiên cứu và sử dụng trong thực tế. Ly hợp truyền
thống sử dụng nguyên lý ma sát cơ khí (ma sát khô) để truyền mô men giữa các trục.
Nhược điểm cơ bản của các ly hợp kiểu này là kết cấu cồng kềnh, khó điều khiển mơ
men truyền động theo yêu cầu, khó thực hiện điều khiển ly hợp từ xa, chi phí bảo
dưỡng cao. Để khắc phục các nhược điểm của ly hợp truyền thống, trong thời gian
gần đây, các loại ly hợp sử dụng lưu chất điện-từ biến (MRF: magneto-rheological
fluid) đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. MRF là hỗn hợp dung dịch gồm
các phần tử có từ tính cao hịa trộn trong một chất lỏng nền (thường là dầu thực vật).
Ở trạng thái bình thường, các phần tử từ tính phân bố tự do trong chất lỏng nền và
dung dịch MRF ứng xử tương tự như chất lỏng nền (thường là lưu chất Newton). Khi
MRF được đặt trong từ trường, các phần tử từ tính bị từ hóa và có khuynh hướng sắp
xếp dọc theo phương đường sức từ trường, lúc này MRF gần như hóa rắn. Q trình
này xảy ra rất nhanh (khoảng 10ms) và thuận nghịch. Với khả năng đặc biệt này,
MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị yêu cầu
giao tiếp cơ-điện như phanh, ly hợp… Để khắc phục các nhược điểm của ly hợp
truyền thống, trong thời gian gần đây, các loại ly hợp sử dụng lưu chất thông minh
(smart fluids), đặc biệt là lưu chất điện-từ biến (MRF: magneto-rheological fluid) đã
được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Tuy nhiên, hầu hết các ly hợp này dùng

kiểu ly hợp MRF truyền thống với cuộn dây quấn trên phần trụ giữa của ly hợp và
dùng cơ cấu cổ góp điện để cấp cho cuộn dây. Do vậy các ly hợp kiểu này có rất nhiều
các khuyết điểm như lực ma sát lớn và dịng điện cấp cho các cuộn dây khơng ổn
định do sử dụng cổ góp điện, kết cấu phức tạp khó chế tạo, lắp ráp, bảo dưỡng và
hiện tượng thắt cổ chai của từ trường do cuộn dây quấy trên phần trụ giữa…
Trong nghiên cứu này, tôi sẽ phát triển các loại ly hợp MRF mới khắc phục hoặc hạn
chế các nhược điểm trên của ly hợp MRF được nghiên cứu trước đây để phù hợp hơn
cho việc điều khiển tốc độ và mô men đầu ra của động cơ AC. Bên cạnh đó, trong
nghiên cứu này tơi cịn nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển tốc độ và mô men

2


đầu ra của động cơ Ac dùng ly hợp MRF. Các loại động cơ DC trong các hệ thống
điều khiển như rô bốt, băng tải…sẽ được thay thế bằng các loại động cơ AC rẻ tiền
và tiện dụng hơn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo ly hợp kiểu mới dùng lưu chất MRF (ly hợp MRF)
để điều khiển mô men và tốc độ động cơ AC
Thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển động cơ AC dùng ly hợp MRF
2.2 Nội dung nghiên cứu.
Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh và ly hợp sử dụng MRF
Nội dung 2: Tính tốn, thiết kế tối ưu ly hợp MRF
Nội dung 3: Thiết kế chi tiết, chế tạo ly hợp MRF
Nội dung 4: Thực nghiệm đánh giá tính năng của ly hợp MRF và so sánh với kết quả
lý thuyết.
Nội dung 5: Thiết kế, chế tạo mơ hình điều khiển động cơ AC dùng ly hợp MRF
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu về cấu hình và thiết kế mới của ly hợp MRF.

- Phạm vi nghiên cứu: với mục tiêu đã đề ra, đề tài sẽ tập trung vào nghiên cứu giới
hạn một số nội dung như sau:
+ Chỉ nghiên cứu hình dạng của ly hợp và hình dạng mặt trong của ly hợp nhưng
khơng nghiên cứu đến hình dáng vỏ ngồi ly hợp.
+ So sánh kết quả với các loại ly hợp thông dụng trước như: ly hợp với một cuộn dây
ở vỏ bên.

3


+ Tối ưu khối lượng các loại ly hợp trong phạm vi mô men từ 5 Nm đến 100 Nm với
tốc độ của ly hợp trong khoảng 120 vòng/ phút.
+ Phần thực nghiệm: chế tạo ly hợp đạt được mô men ở mức tối đa là 10 Nm.
+ Phần tối ưu: áp dụng các thuật tốn tối ưu có sẵn đã được tích hợp trên phần mềm
Ansys.

4


4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
4.1 Phương pháp luận.
Nghiên cứu này được thực hiện giữa trên cách tiếp cận từ phân tích lý thuyết -> nhận
xét, đánh giá dựa vào kết quả mô phỏng -> thực nghiệm kiểm chứng
Để thực hiện được nghiên cứu này cần thực hiện các yêu cầu sau:
 Tổng quan, phân tích ưu nhược điểm các nghiên cứu về hệ thống ly hợp hiện có
trong nước và ngồi nước.
 Dựa vào kết quả phân tích kết hợp với cơ sở lý luận lý thuyết để đưa ra ý tưởng
về cấu hình mới của ly hợp
 Đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng
 Kiểm chứng kết quả bằng thực nghiệm

4.2 Phương pháp nghiên cứu.
4.2.1 Phân tích lý thuyết
Phân tích phương pháp luận từ các cơng trình khoa học liên quan được cơng bố trong
thời gian gần đây trên các tạp chí khoa học, các kỹ yếu hội nghị khoa học trong nước
và quốc tế, trên các luận văn thạc sĩ và các tài liệu liên quan. Chọn lựa và phát triển
các công cụ hiện đại phù hợp với vấn đề cần giải quyết để xây dựng cơ sở lý thuyết
và đề xuất phương pháp thực hiện đề tài.
4.2.2 Phân tích thực nghiệm
Giải pháp được đề xuất phải có tính ứng dụng trong thực tế và tiến hành thí nghiệm
trên mơ hình thực trong phịng thí nghiệm và trên các tập số liệu đo đạc từ mơ hình
thực nhằm kiểm chứng, đánh giá độ chính xác cũng như khả năng ứng dụng của giải
pháp được đề xuất trong phần lý thuyết.

5


5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Trong nghiên cứu này, tôi sẽ phát triển các loại ly hợp MRF mới khắc phục hoặc hạn
chế các nhược điểm trên của ly hợp MRF được nghiên cứu trước đây để phù hợp hơn
cho việc điều khiển tốc độ và mô men đầu ra của động cơ AC. Bên cạnh đó, trong
nghiên cứu này tơi cịn nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển tốc độ và mô men
đầu ra của động cơ AC dùng ly hợp MRF. Đề tài thành công sẽ mở ra một bước ngoặt
trong lĩnh vực tự động hóa ở VN và thế giới. Các loại động cơ DC trong các hệ thống
điều khiển như rô bốt, băng tải…sẽ được thay thế bằng các loại động cơ AC rẻ tiền
và tiện dụng hơn.

6


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.1

Giới thiệu MRF

Lưu chất từ biến (MRF) là một lưu chất thông minh, có các hạt từ hóa đường kính
vào cỡ 3 – 10 µm. Lưu chất từ biến bao gồm chất lỏng nền, thường là dầu khoáng sản
dầu tổng hợp, nước hoặc glycol và một số phụ gia.
Nguyên lí hoạt động của MRF: Ở trạng thái bình thường, các hạt chuyển động tự do
và chất lỏng biểu hiện thuộc tính Newton như những chất lỏng bình thường khác. Tuy
nhiên khi có tác dụng của từ trường ngồi, lưu chất khơng cịn tuân theo thuộc tính
Newton nữa mà chuyển sang thuộc tính Bingham, các hạt kim loại bên trong lưu chất
này gắn kết lại với nhau theo dạng của đường sức từ và có khả năng chống phá vỡ
liên kết như hình 1.1. Độ bền vững của liên kết này phụ thuộc vào độ lớn của từ
trường ngồi đưa vào.

Hình 1.1 Liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường
Mơ hình dẻo Bingham thể hiện ứng xử của lưu chất với ứng suất cắt tỉ lệ thuận với
tốc độ cắt và được biểu thị như sau:
=

( )

( ̇) +

ġ

(1-1)

Trong đó:
: Ứng suất cắt trong chất lỏng.

: Ứng suất chảy, độ lớn của ứng suất chảy phụ thuộc vào từ trường tác dụng
Sgn: là hàm dấu
: Độ nhớt sau chảy dẽo, thường không thay đổi theo từ trường tác dụng.
ġ : Tốc độ cắt
Mơ hình dẻo của Bingham thể hiện các tính chất của MRF phụ thuộc và ứng suất
thể hiện như trong hình 1.2

7


Hình 1.2 Biểu đồ tương quan giữa chất lỏng Newton và nhựa BingHam
Hiện nay, MRF đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi dưới 4 dạng
chính là dạng trượt, dạng nén, dạng dòng chảy, dạng thắt cụ thể như phanh MR, giảm
chấn MR, gang tay MR, van điều tiết MR...
1.2

Khái quát về ly hợp

Ly hợp là bộ phận trung gian nằm giữa động cơ và hộp số, với nhiệm vụ đóng ngắt
truyền động từ động cơ ra khỏi hệ thống và kết nối nhịp nhàng động cơ với hộp số để
thay đổi tốc độ đầu ra của trục tải theo một tỷ số truyền xác định bởi hộp số. Có nhiều
loại ly hợp như: ly hợp ma sát, ly hợp thủy lực, ly hợp nam châm điện, ly hợp lyên
hợp... nhưng nhìn chung các bộ ly hợp trên đều phải kết nối với hộp số để thay đồi
tốc độ trục tải theo mong muốn. Điều này dẫn đến việc kết cấu của hệ thống sẽ phức
tạp nhiều thành phần, kích thước lớn, chịu tải trọng va đập và vấn đề điều khiển vô
cấp tốc độ trục tải gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở các vấn đề trên cùng với sự phát
triển của lưu chất thông minh - lưu chất từ biến, bộ ly hợp dùng bộ truyền động lưu
chất từ biến được nghiên cứu và phát triển, kết hợp đặc tính của ly hợp với hộp số vơ
cấp nhằm tối ưu về kích thước cũng như khối lượng của hệ thống mà vẫn giữ được
mô men xoắn đạt giá trị yêu cầu với sự thay đổi tốc độ trục tải là vô cấp.

8


1.3

Các vấn đề còn tồn tại và lý do chọn đề tài

Trong công nghiệp, động cơ AC được sử dụng rất phổ biến vì giá thành rẻ, nguồn
điện sẵn có, chi phí bảo trì sửa chữa thấp. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của động
cơ AC so với động cơ DC là việc điều khiển tốc độ và mô men rất khó khăn, địi hỏi
mạch điều khiển và thuật tốn điều khiển phức tạp, đắt tiền. Đây là hạn chế cơ bản
trong việc áp dụng rộng rãi động cơ AC trong các hệ thống tự động trong công nghiệp.
Một trong những giải pháp để điều khiển động cơ điện AC đơn giản, thuận lợi hơn là
dùng ly hợp.
Trên thế giới, đã có một số nghiên cứu về điều khiển tốc độ động cơ (chủ yếu là động
cơ DC) sử dụng phanh và ly hợp lưu chất điện biến (electro-rheological fluid - ERF).
Choi SB và các cộng sự [1], đã thế tạo và thử nghiệm hệ thống điều khiển tốc độ động
cơ DC dùng phanh ERF. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển PID và SMC đã được
sử dụng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, tốc độ đầu ra của động cơ DC có thể được
điều khiển tương đối chính xác dùng phanh ERF, bộ điều khiển SMC cho kết quả tốt
hơn PID. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này vẫn cịn tồn tại một số vấn đề mà ngun
nhân chính là do ứng xuất trượt dẻo của ERF tương đối nhỏ nên để tạo ra mơ men
lớn thì kết cấu phanh và ly hợp phải lớn nên hệ thống cồng kềnh. Hơn nữa lưu chất
ERF làm việc yêu cầu hiệu điện thế rất cao (khoảng 2000V/mm), do vậy cần phải có
hệ thống biến đổi cao áp. Bên cạnh đó, việc dùng phanh sẽ gây ra ma sát rất lớn dẫn
đến tổn thất năng lượng và sinh nhiệt.
Lưu chất từ biến (Magneto-rheological fluids - MRF) là một dung mơi có chứa các
hạt vật liệu từ tính kích thước nano, có khả năng chuyển đổi tính chất lưu biến khá
nhanh và mạnh khi bị tác động của một từ trường. Ưu điểm nổi bật của lưu chất MRF

so với lưu chất ERF là ứng suất chảy dẻo cao hơn, lắng đọng ít hơn và hiệu điện thế
tác động nhỏ hơn. Thêm vào đó, lưu chất MRF đã được thương mại hóa rộng rãi. Vì
vậy mà lưu chất MRF có nhiều tiềm năng trong các ứng dụng chế tạo ly hợp, phanh,
van, bộ giảm chấn, hệ thống Haptic và trong các robot [2,3]. Đã có một số đáng kể
các nghiên cứu về ly hợp sử dụng lưu chất MRF (ly hợp MRF) [4-6]. Gần đây,

9