BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Võ Đức Nhân

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR KHÔNG LÕI THÉP

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
2. TS. Nguyễn Trường Giang

HÀ NỘI-2023


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa
từng được ai công bố trên bất cứ một cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

tháng

Nghiên cứu sinh

Võ Đức Nhân
PGS. TS. Nguyễn Quang Địch

TS. Nguyễn Trường Giang

i

năm 2023


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực
hiện luận án này. Cảm ơn Phòng Đào tạo, Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
đã ln hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt q trình tơi thực hiện
luận án này.
Tơi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người giáo viên hướng
dẫn của tôi là PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, TS. Nguyễn Trường Giang đã luôn tận
tâm, tận lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt q trình tơi
thực hiện luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật điều
khiển và Tự động hóa và các giảng viên của Khoa Tự động hóa, Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã đưa ra những góp ý, chỉ dẫn giúp tơi hồn thành mơ hình thử nghiệm phần
cứng cho luận án của mình. Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Thị
Lý, Trường Đại học Giao thông Vận tải và ThS. Nguyễn Xuân Biên, Trường Đại học
Thủy lợi đã trợ giúp thực hiện đề tài luận án.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn
thiện luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, Lãnh đạo Bộ Khoa học và Công
nghệ, Lãnh đạo Vụ và các anh chị, em của Vụ Phát triển khoa học và công nghệ địa

phương, Bộ Khoa học và Công nghệ và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong
suốt q trình tơi tham gia khóa học này.

Nghiên cứu sinh

Võ Đức Nhân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT .................................... v
CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR
KHÔNG LÕI THÉP ................................................................................................. 6
1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép ............................... 6
1.2 Tổng quan về động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực
Lorentz ...................................................................................................................... 10
1.2.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép ......................................... 10
1.2.2 Khái quát về lực Lorentz áp dụng cho động cơ tự nâng stator không lõi thép 16
1.2.3 Cơ chế tạo lực ổ từ ........................................................................................... 17
1.2.4 Cơ chế sinh mô men quay ............................................................................... 20
1.3 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator khơng lõi thép…………..…………21


1.4 Mơ hình nghiên cứu của đề tài luận án ............................................................... 23
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG
STATOR KHÔNG LÕI THÉP ............................................................................. 25
2.1 Mơ hình động cơ tự nâng stator khơng lõi thép (TNSKLT) dây quấn rải ......... 25
2.1.3 Phân tích nguyên lý điều khiển mô men quay động cơ tự nâng stator khơng lõi
thép dây quấn rải....................................................................................................... 32
2.2 Mơ hình mạch lực của truyền động động cơ tự nâng stator không lõi thép ....... 35
2.3 Động lực học quá trình điện từ động cơ tự nâng stator không lõi thép .............. 36
2.3.1 Động lực học mạch phần ứng .......................................................................... 36
2.3.2 Động lực học mạch vòng điều khiển lực ......................................................... 36
2.3.3 Động lực học chuyển động .............................................................................. 37
2.4 Mơ hình điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép................................ 39
2.5 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dạng I .................... 40
iii


2.6 Phân tích điều khiển lực ổ từ cho động cơ TNSKLT dây quấn rải (dạng II).….43
2.7 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển có khử nhiễu cho động cơ tự nâng stator
khơng lõi thép dạng II……………………………………………….……………...47
2.8 Phân tích chọn mơ hình điều khiển .................................................................... 49
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR
KHÔNG LÕI THÉP ............................................................................................... 51
3.1 Khái quát chung .................................................................................................. 51
3.1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 51
3.2 Cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT .............................................................. 53
3.3 Tổng hợp các mạch vòng tốc độ ......................................................................... 55
3.4 Phân tích phương án điều khiển phản hồi đầu ra với bộ điều khiển PID mạch vịng
vị trí........................................................................................................................... 56
3.4.1 Đặc điểm mạch vịng vị trí: ............................................................................. 56
3.4.2 Phân tích lựa chọn phương án ......................................................................... 57

3.4.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí ............................................................ 58
3.4.4 Đánh giá mạch vịng vị trí theo tiêu chí bám lượng đặt và kháng nhiễu......... 59
3.4.5 Thiết kế bù nhiễu ngoại ................................................................................... 61
3.5 Mô phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT ....................................................... 63
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ TNSKLT VÀ THỰC
NGHIÊM ................................................................................................................. 68
4.1 Khái quát chung .................................................................................................. 68
4.2 Giới thiệu các thiết bị trong thực nghiệm ........................................................... 69
4.3 Thực nghiệm xác định thông số ban đầu ............................................................ 73
4.4 Thử nghiệm về điều khiển .................................................................................. 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 80
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 83
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 88

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT
a-d cuộn dây stator
b-e cuộn dây stator
c-f cuộn dây stator
d- trục cực từ
B (T) Cường độ từ trường
D Nhiễu
E (V) sức điện động
F (N) lực từ
Fad Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây a-d
Fbe Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây b-e
Fcf Lực từ Lorentz tác động lên cuộn dây c-f

F (A vòng) Sức từ động
G Hàm truyền
GF Hàm truyền Feedforwward
I (A) dòng điện
Iad (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator a-d
Ibe (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator b-e
Icf (A) Dòng điện chạy qua cuộn dây stator c-f
I adf (A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator a-d
I bef (A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator b-e
I cff (A) Dòng điện sinh lực từ của cuộn dây stator c-f
T
(A) Dòng điện sinh mơ men của cuộn dây stator a-d
I ad
T
(A) Dịng điện sinh lực mô men của cuộn dây stator b-e
I be
T
(A) Dịng điện sinh lực mơ men của cuộn dây stator c-f
I cf

k hệ số
kfx (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục X
kfy (N/A) hệ số tỷ lệ lực với dòng điện trục
km (Nm/A) hệ số tỷ lệ mô men

v


L (H) điện cảm cuộn dây
ℓ (mm) chiều cao cuộn dây stator

M (Nm) mô men của động cơ
n (v/p) tốc độ động cơ
q- Trục tọa độ
R (Ω) điện trở
r (mm) bán kính rotor
U (V) Điện áp
X trục X
x(mm) là khoảng cách khe hở giữa rotor và stator của động cơ theo trục X
y(mm) là khoảng cách khe hở giữa rotor và stator của động cơ theo trục Y
Z Trục Z
Δ (mm) là khe hở khơng khí giữa rotor và stator của động cơ
γ (rad) góc lệch giữa véc tơ từ trường và véc tơ dịng điện
Ψ (rad) góc quay của cực từ rotor
ω (rad/s) tốc độ góc của động cơ
Β (rad) góc lệch của lực Lorentz của cuộn dây a-d với trục X
 là

gia số

x (mm) sai lệch trục X
y (mm) sai lệch trục Y
y (mm) sai lệch trục y

Fx (N) Biến thiên lực trục X
Fy (N) Biến thiên lực trục Y

I x (N) Biến thiên dòng trục X
I y (N) Biến thiên dòng trục Y

TNSKLT: Động cơ tự nâng stator không lõi thép


vi


CHỮ VIẾT TẮT
ABM

: Active Magnetic Bearing

SSBM

: Slotless Self-Bearing Motor

TN SKLT: Tự nâng stator không lõi thép

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
B 2.1 Thơng số kích thước động cơ
B 3.1 Thơng số động cơ
B 4.1 Số liệu thí nghiệm về sức điện động động cơ

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Động cơ sử dụng ổ từ thơng thường ............................................................ 6
Hình 1.2 Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục ......................................................... 6
Hình 1.3 Động cơ tích hợp ổ từ ngang trục theo ngun lý Lorentz………………..8

Hình 1.4 Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo ngun lý Lorentz khơng răng
rãnh...…………….......................................................................................................9
Hình 1.5 Động cơ tự nâng stator khơng lõi thép theo ngun lý Lorentz………….10
Hình 1.6 Mơ hình động cơ tự nâng stator khơng lõi thép …....

………………..11

Hình 1.7 Cấu trúc rotor động cơ tự nâng stator không lõi thép ...............................12
Hình 1.8. Đường sức từ khi có vỏ sắt ..................................................................... 12
Hình 1.9. Cấu tạo stator động cơ tự nâng stator khơng lõi thép ............................... 13
Hình 1.10. Sơ đồ cấu tạo một vòng dây thanh dẫn của động cơ .............................. 14
Hinh 1.11. Sơ đồ bố trí dây dẫn stator động cơ tự nâng stator khơng lõi thép ......... 14
Hình 1.12. Sơ đồ mô tả động cơ tự nâng stator khơng lõi thép ................................ 15
Hình 1.13. Đồ thị véc tơ lực do cặp cuộn dây a-d tác động lên rotor ...................... 17
Hình 1.14. Mơ tả sự lệch tâm rotor của động cơ tự nâng stator khơng lõi thép ....... 19
Hình 1.15. Phân tích thành phần lực tạo mơ men của động cơ TNSKLT................ 20
Hình 1.16 Cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator khơng lõi thép ………

.22

Hình 1.17. Sơ đồ cuốn dây stator của mơ hình nghiên cứu động cơ TNSKLT ....... 23
Hình 2.1. Mơ hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator khơng lõi thép .................... 25
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo động cơ TNSKLT

.......................................................... 26

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý nối dây cuộn dây stator

............................................ 27


Hình 2.4. Sức từ động của cặp dây cuốn thứ k ......................................................... 28
Hình 2.5. Sơ đồ véc tơ sức từ động của cuộn dây stator .......................................... 28
Hình 2.6. Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây (a). Đồ thị véc tơ lực
ổ từ của rotor tác động lên ba cặp cuộn dây (b) ....................................................... 29
Hình 2.7. Đồ thị véc tơ dòng điện đẳng trị cho ba cặp cuộn dây chiếu lên trục XY ............................................................................................................................... 29
Hình 2.8. Lực ổ từ của động cơ TNKLT khi hệ đứng im khi đồng tâm (a) và khi lệch
tâm (b) trên tọa độ X-Y ............................................................................................ 31

ix


Hình 2.9. Đồ thị véc tơ dịng điện đẳng trị của động cơ tự nâng stator khơng lõi
thép ........................................................................................................................... 33
Hình 2.10. Biểu diễn dịng điện stator động cơ trong khơng gian véc tơ ................. 34
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch lực và đo lường động cơ TNSKLT……………..35
Hình 2.12. Sơ đồ thay thế một pha mạch phần ứng của động cơ tự nâng stator khơng
lõi thép ...................................................................................................................... 36
Hình 2.13. Cấu trúc đối tượng điều khiển vị trí rotor ............................................... 37
Hình 2.14. Mơ tả rotor quay lệch tâm ...................................................................... 38
Hình 2.15. Sơ đồ mô tả đối tượng điều khiên mô men ............................................ 39
Hình 2.16. Sơ đồ động học mạch vịng điều khiển vị trí……………………...…...41
Hình 2.17. Sơ đồ ngun lý cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator khơng lõi thép
có chức năng ổ từ dạng I .......................................................................................... 43
Hình 2.18 Sơ đồ biến đổi lực nâng (a-d, b-e, c-f) sang (X-Y) .................................44
Hình 2.19 Sơ đồ mơ tả biến đổi lực nâng trên hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f)...45
Hình 2.20 Sơ đồ biến đổi dòng điện hệ trục (X-Y ) sang (a-d, b-e, c-f) ..................46
Hình 2.21 Sơ đồ tính tốn biên độ và vị trí dịng điện để tính quy đổi.................... 47
Hình 2.22 Sơ đồ khối đối tượng mạch vịng điều khiển vị trí ..................................48
Hình 2.23. Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép dây quấn
rải (dạng II) ............................................................................................................... 48

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển động cơ TNSKLT…………………53
Hình 3.2. Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ của động cơ TNSKLT ................ 55
Hình 3.3. Cấu trúc được đơn giản mạch vịng điều khiển tốc độ động cơ
TNSKLT ................................................................................................................... 55
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển vị trí một mạch vịng có bộ điều khiển PI ................ 56
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển vị trí có hai mạch vịng nối tầng............................... 57
Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển vị trí PD có hai mạch vịng nối song song ............... 57
Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển vị trí kiểu PD song song ........................................... 58
Hình 3.8. Mạch vịng điều khiển vị trí...................................................................... 58
Hình 3.9. Đáp ứng mạch vịng vị trí có sai lệch ban đầu và có nhiễu tải Fc ............ 59
Hình 3.10. Dạng nhiễu ngoại D. .............................................................................. 60
Hình 3.11. Đáp ứng điều khiển khi có nhiễu ngoại mạch vịng vị trí. ..................... 61

x


Hình 3.12. Cấu trúc điều khiển có bù nhiễu D ........................................................ 61
Hình 3.13. Đáp ứng của hệ khi có nhiễu ngoại khi có thiết kế bù nhiễu ................. 63
Hình 3.14. Mơ hình mơ phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT …………………..63
Hình 3.15. Kết quả mơ phỏng hệ điều khiển động cơ TNSKLT ……………………66
Hình 4.1. Mơ hình thử nghiệm động cơ tự nâng stator khơng lõi thép .................. 668
Hình 4.2. Hình ảnh động cơ tự nâng stator không lõi thép trong bộ thí nghiệm ... 669
Hình 4.3. Card điều khiển DS1104 .......................................................................... 70
Hình 4.4. Sơ đồ ngun lý khuếch đại dịng điện .................................................... 71
Hình 4.5. Cảm biến LS-500-2A ............................................................................... 71
Hình 4.6. Hình ảnh hệ thống thực nghiệm ............................................................... 72
Hình 4.7. Mơ hình điều khiển xây dựng trên Matlab-Simulink ............................... 72
Hình 4.8. Giao diện điều khiển ControlDesk ........................................................... 73
Hình 4.9. Dạng sóng sức điện động động cơ a) Lúc bắt đầu chạy b) Chạy ổn định 74
Hình 4.10. Kết quả thực nghiệm hệ điều khiển vị trí ............................................... 76

Hình 4.11. Đáp ứng vị trí và tốc độ để khảo sát xen kênh ....................................... 77
Hình 4.12. Kết quả thực nghiệm điều khiển tốc độ .................................................. 78
Hình 4.13. Đáp ứng đánh giá sai số quỹ đạo x-y khi động cơ chạy ổn định tại tốc độ
4000v/p ..................................................................................................................... 78

xi


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Động cơ điện tự nâng là động cơ điện trong đó rotor của động cơ được nâng
hồn tồn khơng có tiếp xúc trong khơng gian nhờ vào lực từ, như vậy ngồi khả năng
sinh mơ men quay thì động cơ này cịn có khả năng tự sinh lực nâng để giữ cố định
rotor. Trong thời gian gần đây động cơ điện sử dụng ổ từ là một hướng nghiên cứu
mới thu hút mạnh mẽ nhiều nhà khoa học trên thế giới. Chúng được giới thiệu như
những phần tử máy rất có giá trị với nhiều đặc điểm cơng nghệ mới và có phạm vi
ứng dụng rất rộng. Các nghiên cứu về động cơ sử dụng ổ từ thường tập trung chủ yếu
tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Pháp, Đức và Thụy Sỹ, hiện nay trước khả năng
ứng dụng mạnh mẽ của động cơ ổ từ trong nhiều lĩnh vực, việc nghiên cứu về chế tạo
động cơ ổ từ và các ứng dụng cũng đang được đẩy mạnh tại các nước đang phát triển
như Trung Quốc, Hàn Quốc, Brazil…
Ma sát, sự mài mịn và chất bơi trơn trong các vịng bi cơ của động cơ điện thông
thường khiến cho các động cơ này không thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường
khắc nghiệt như chân khơng, trong các mơi trường có nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp
hoặc trong các môi trường hóa chất. Ngồi ra sự hiện diện của chất bơi trơn trong
vịng bi cịn là tác nhân gây ra ô nhiễm trong các ngành công nghiệp sạch như chế
biến dược phẩm, thực phẩm, công nghệ vật liệu và công nghệ sinh học…

Hình 1. Động cơ vịng bi cơ
Để khắc phục những nhược điểm trên của động cơ vòng bi cơ, rất nhiều loại ổ

đỡ khác đã được nghiên cứu như ổ đỡ kiểu đệm khí nén, ổ đỡ kiểu đệm từ trường…
trong đó kiểu ổ đỡ dùng đệm từ trường (ổ từ) được đặc biệt quan tâm do chúng có
kích thước nhỏ, có khả năng điều chỉnh được lực nâng cũng như có khả năng giám

1


sát được q trình làm việc thơng qua hệ thống điều chỉnh điện tử cho ổ từ. Các ổ từ
sẽ tạo ra lực nâng trục quay của động cơ (rotor) thơng qua từ trường vì vậy rotor của
động cơ sẽ không tiếp xúc với bất kỳ vật nào. Kết quả là chuyển động quay của trục
khơng gây ra hao mịn, khơng có ma sát và cũng khơng cần hệ thống bơi trơn và do
đó làm tăng hiệu suất của động cơ điện, giảm chi phí bảo dưỡng cũng như khơng gây
ra ô nhiễm môi trường làm việc.
Với những ưu điểm nổi bật có được nhờ khả năng nâng vật chuyển động khơng
có tiếp xúc, động cơ ổ từ được coi là một sản phẩm cơng nghệ mới, có hàm lượng
khoa học cao, thân thiện với mơi trường và có khả năng thúc đẩy mạnh mẽ đến sự
phát triển khoa học và công nghệ trong thế kỷ 21 cả trong nghiên cứu cơ bản lẫn
nghiên cứu ứng dụng [1].
Các lĩnh vực ứng dụng chính của động cơ ổ từ bao gồm:
- Nâng cao hiệu suất của hệ truyền động: Do trục quay của động cơ chuyển động
khơng có tiếp xúc với phần cố định nên tổn hao do ma sát gần như bằng không. Điều
này cho phép động cơ 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 cơng cụ… Ví dụ trong
hệ thống vận chuyển khí hóa lỏng tại New York, máy nén ly tâm công suất 12MW
với tốc độ quay là 12000 vòng phút sử dụng động cơ điện dùng ổ từ được thay thế
cho động cơ sử dụng vòng bi thủy lực động giúp cho hệ thống tiết kiệm được 700000
kWh/năm [2÷3].
- Các ngành cơng nghệ sạch: Trục quay của động cơ điện dùng ổ từ không tiếp
xúc với phần tĩnh do đó khơng có các hạt bụi do mài mịn tạo ra cũng như không cần
sử dụng các chất bôi trơn. Kết quả là động cơ điện dùng ổ từ không gây ô nhiễm tới

môi trường xung quanh. Với ưu điểm này động cơ điện dùng ổ từ đang được đẩy
mạnh nghiên cứu ứng dụng trong các ngành công nghệ vật liệu, cơng nghệ hóa học,
cơng nghệ sinh học (bơm hóa chất [4÷5], bơm máu trong tim nhân tạo [6÷8]…).
- Trong các môi trường khắc nghiệt: Nhờ vào việc loại bỏ được chất bôi trơn,
động cơ điện dùng ổ từ cịn được nghiên cứu ứng dụng trong các mơi trường rất lạnh
(bơm khí helium lỏng, -2760C [9]) và rất nóng (5500C [10]).

2


Hình 2. Cấu trúc chung của động cơ ổ từ thơng thường

Hình 3. Ứng dụng động cơ sử dụng ổ từ trong máy nén khí siêu tốc
Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa
hai ổ từ ngang trục. Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x1,
y1, x2 và y2 của trục quay của động cơ. Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng
z) được điều khiển bởi một ổ từ từ dọc trục. Các lực nâng trục được điều khiển bằng
hệ thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ ln nằm chính giữa lõi
stator. Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ
từ có 6 bậc tự do [11]. So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích
thước lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng.
Để khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động
cơ điện với ổ từ đang được tiến hành, trong đó điển hình là hai hướng nghiên cứu tích
hợp chức năng ổ từ ngang trục vào động cơ [12÷20] hoặc tích hợp chức năng ổ từ
dọc trục vào động cơ [21÷25]. Cho đến nay, các phương án tích hợp này thường được
triển khai trên các loại động cơ có sử dụng lõi thép. Tuy nhiên khi động cơ ổ từ chạy
ở tốc độ cao thì thường yêu cầu bộ nguồn cấp tần số lớn. Trong khi đó, các vật liệu
từ hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu này vì vậy đã mở ra một hướng nghiên cứu về
vấn đề này là nghiên cứu động cơ khơng lõi thép có tích hợp ổ từ [22-45]. Hướng
nghiên cứu này đã được rất nhiều các nhà nghiên cứu trong nước và nước ngoài quan


3


tâm nghiên cứu và dần dần đã đạt được một số thành cơng nhất định cho loại động
cơ này.
Do đó hướng nghiên cứu của luận án là phát triển hệ điều khiển cho động cơ tự
nâng stator không lõi thép là phù hợp với tình hình nghiên cứu chung trên thế giới và
có tính cấp thiết hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
a. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ tự nâng stator không lõi thép để làm
rõ khả năng sinh lực đồng thời cả mô men quay lẫn lực nâng ngang trục.
- Xây dựng hệ điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép nhằm đảm bảo
điều khiển được cả lực nâng ngang trục lẫn mô men quay của động cơ.
b. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ tự nâng stator không lõi thép sử dụng dây quấn rải và rotor nam châm
vĩnh cửu.
c. Phạm vi nghiên cứu
Hệ điều khiển tốc độ và vị trí ngang trục của động cơ tự nâng stator không lõi
thép.
d. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở tiếp thu các kết quả nghiên cứu từ các cơng
trình nghiên cứu đã cơng bố ở trong nước và nước ngồi cũng như thành quả nghiên
cứu của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (Viện KTĐK&TĐH), Đại học
Bách khoa Hà Nội để từ đó đề xuất phương pháp hồn thiện hệ điều khiển cho động
cơ tự nâng stator không lõi thép. Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng và
thực nghiệm.
3. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài luận án
Luận án đã nghiên cứu để đưa ra một phương pháp mới xây dựng mơ hình điều

khiển động cơ tự nâng stator khơng lõi thép. Từ đó có thể áp dụng cho các thiết kế
điều khiển mới để nâng cao chất lượng điều khiển cho loại động cơ TNSKLT. Góp
phần vào cơng việc thiết kế chế tạo động cơ TNSKLT ứng dụng vào thực tế.
4. Dự kiến kết quả nghiên cứu mới
- Xây dựng mơ tả tốn mới cho động cơ tự nâng stator không lõi thép kích từ
vĩnh cửu và stator có dây quấn rải. Sử dụng lý thuyết máy điện và phép biến đổi
vector để xây dựng mơ hình động học thuận tiện cho việc thiết kế điều khiển.

4


- Thiết kế điều khiển vị trí cho động cơ tự nâng stator khơng lõi thép, có bộ điều
khiển PD song song kết hợp với điều khiển Feedforward bù nhiễu lực ly tâm và đưa
ra phương án cấp dòng điện một chiều để duy trì lực nâng. Đề xuất phép biến đổi tọa
độ tĩnh từ tín hiệu hệ trục (x,y) sang tín hiệu hệ (ad, be và cf) thay cho phép biến đổi
tọa độ quay để tránh hiện tượng sinh mơ men hãm ngược.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ truyền động động cơ tự nâng stator không
lõi thép để kiểm chứng các thuật toán điều khiển đề xuất.
5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung luận án chia thành bốn chương, bao gồm:
Chương 1. Tổng quan chung về động cơ tự nâng stator không lõi thép.
Chương 2. Xây dựng mô hình tốn học động cơ tự nâng stator khơng lõi thép từ
đó đề xuất cấu trúc điều khiển.
Chương 3. Thiết kế điều khiển động cơ tự nâng stator không lõi thép.
Chương 4. Xây dựng mơ hình động cơ tự nâng stator không lõi thép và thực
nghiệm.
Kết luận và kiến nghị.

5



Chương 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG STATOR
KHƠNG LÕI THÉP
1.1

Tình hình nghiên cứu động cơ tự nâng stator không lõi thép

Trong các động cơ điện sử dụng ổ từ thông thường, động cơ điện được đặt giữa
hai ổ từ ngang trục. Hai ổ từ này có nhiệm vụ điều chỉnh các hướng chuyển động x1,
y1, x2 và y2 của trục quay của động cơ. Còn chuyển động dọc trục của trục quay (hướng
z) được điều khiển bởi một ổ từ dọc trục. Các lực nâng trục được điều khiển bằng hệ
thống phản hồi kín để đảm bảo trục quay của động cơ ln nằm chính giữa lõi stator.
Như vậy, kể cả chuyển động quay do động cơ điện sinh ra thì động cơ điện ổ từ có 6
bậc tự do [11]. So với động cơ vòng bi cơ, động cơ điện sử dụng ổ từ có kích thước
lớn, cấu trúc phức tạp và giá thành cao vì vậy sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng. Để
khắc phục những nhược điểm này các hướng nghiên cứu kết hợp chức năng động cơ
điện với ổ từ đang được tiến hành.
Hướng nghiên cứu phổ biến hiện nay là kết hợp chức năng giữa ổ từ ngang trục
và động cơ điện [12÷20]. Các động cơ kiểu này sử dụng hai loại dây quấn, loại dây
quấn có cùng số cực p so với rotor dùng để sinh ra mô men quay cho động cơ, loại
dây quấn khác có số cực là p±2 dùng để sinh ra các lực nâng ngang trục. Đây là sự
tích hợp về mặt cơ khí do đó mặc dù kích thước của động cơ sử dụng ổ từ có giảm
nhưng cấu trúc của stator và hệ điều khiển vẫn phức tạp. Số lượng bộ biến đổi điện
tử công suất sử dụng trong động cơ vẫn giữ nguyên do đó giá thành của động cơ ổ từ
vẫn cao.
x1

Hình 1.1. Động cơ sử dụng ổ từ thơng thường Hình 1.2. Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục

Trong thời gian gần đây, sự kết hợp về điện giữa động cơ điện và ổ từ ngang trục

đã được giới thiệu [14][20]. Động cơ này chứa 5 cuộn dây và có khả năng tạo ra lực
nâng ngang trục và mô men quay đồng thời, còn các chuyển động nghiêng và chuyển
động dọc trục của trục quay cần được ổn định nhờ các cơ cấu bên ngồi. Kết quả là
kích thước và số bộ biến đổi điện tử đã giảm. Nhược điểm chính của loại động cơ này
là lực nâng và mơ men quay có ảnh hưởng lớn đến nhau và có đặc tính phi tuyến

6


mạnh, do đó các phương pháp điều khiển phức tạp được yêu cầu để đạt được khả
năng vận hành tin cậy.
Một điểm đáng lưu ý nữa là các động cơ ổ từ kể trên đều hoạt động chủ yếu
theo nguyên tắc cảm ứng, trong đó sự chuyển động được tạo ra là nhờ tương tác giữa
từ trường của cuộn dây với nhau hoặc với từ trường ngoài. Kết quả của sự tương tác
này là lực sinh ra sẽ tỷ lệ với bình phương dịng điện cấp cho cuộn dây và phụ thuộc
nhiều vào khe hở khơng khí giữa stator và rotor (tỷ lệ nghịch). Các mối quan hệ lựcdòng điện và lực - khoảng cách phi tuyến tính này và sự biến thiên lực cao là những
lý do chính khiến cho các động cơ ổ từ trên đã không được thực hiện trước đây trong
các hệ thống có độ chính xác cao.
Các cơ cấu chấp hành điện từ lý tưởng phù hợp với mong muốn có độ chính
xác cao thường là các cơ cấu chấp hành có mối quan hệ tuyến tính giữa lực và dịng
điện, điều này có nghĩa là các hằng số của động cơ phải độc lập với sự thay đổi về vị
trí, mức dịng điện, tốc độ, nhiệt độ, dung sai và mơi trường [26÷28].
Các động cơ ổ từ dựa trên nguyên lý lực Lorentz lại chủ yếu dựa vào cường độ
từ trường bên ngoài (thường được tạo ra bởi một các nam châm vĩnh cửu trên rotor)
và độ lớn dòng điện trong các cuộn dây mang. Các cuộn dây được đặt trong khe hở
khơng khí của từ thơng ngồi. Do đó, việc tạo ra lực từ chủ yếu dựa trên lực Lorentz
trong các cuộn dây của ổ từ. Kết quả là các cơ cấu chấp hành theo nguyên lý lực
Lorentz là gần giống đối với một cơ cấu chấp hành lý tưởng. Đây chính là ưu điểm
nổi bật để có thể tạo động cơ ổ từ phù hợp với mong muốn cho các cơ cấu có u cầu
độ chính xác cao [29÷45].

Loại động cơ ổ từ đầu tiên được giới thiệu theo nguyên lý lực Lorentz được mơ
tả như Hình 1.3a, b, c, trong đó động cơ và một ổ từ ngang trục được tích hợp với
nhau để vừa sinh ra mô men quay vừa sinh lực nâng đồng thời [13]. Tuy nhiên bên
cạnh cuộn dây stator có nhiệm vụ sinh ra mơ men quay (Hình 1.3b) thì cần phải có
thêm cuộn dây phụ để sinh ra lực nâng (Hình 1.3c). Ngồi ra để đảm bảo khả năng
sinh mơ men và lực nâng tốt thì động cơ này phải sử dụng các tấm nam châm vĩnh
cửu có độ dầy lớn. Điều này dẫn tới kích thước của động cơ khá lớn và tăng tổn hao
do dịng xốy trong các phiến nam châm của động cơ. Ngồi ra việc sử dụng phiến
nam châm có độ dầy lớn cũng gây ra sự mất cân đối nghiêm trọng giữa việc sinh mô
men và lực nâng: miếng nam châm càng dầy thì khả năng sinh mơ men càng lớn
nhưng lại làm tăng trở kháng cho đường dẫn từ thông sinh lực nâng dẫn tới khả năng
sinh lực nâng giảm.

7


a. Sơ đồ cấu trúc

b. Nguyên lý sinh mô men

c.

Nguyên lý sinh lực nâng

Hình 1.3. Động cơ tích hợp với ổ từ ngang trục theo nguyên lý lực Lorentz [29]

8


Để khắc phục các nhược điểm trên thì một phương án thiết kế động cơ ổ từ

theo hướng này được giới thiệu trong [31÷37] thể hiện như Hình 1.4. Với một cấu
trúc không quá phức tạp, động cơ ổ từ không răng rãnh được thiết kế dựa trên
nguyên lý lực Lorentz có thể sinh đồng thời cả lực nâng lẫn mơ men quay, trong đó
các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí bên ngồi rotor và các cuộn dây stator
được bố trí bên trong stator. Cấu trúc này đã hạn chế được sự mất cân bằng giữa
việc sinh mô men quay và lực nâng đo độ dầy của phiến nam châm. Kiểu thiết kế
không răng rãnh cũng cho phép loại bỏ được hiện tượng đập mạch mô men do đó
kiểu động cơ ổ từ này hồn tồn phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao
như các ứng dụng định vị và các ứng dụng điều khiển chùm laser [34],[38]. Tuy
nhiên hạn chế của loại động cơ này vẫn là sử dụng số lượng phiến nam châm nhiều
(12 đơi cực) và khe hở khơng khí giữa stator và rotor lớn, điều này dẫn tới để đảm
bảo khả năng sinh mơ men và lực nâng đủ lớn thì kích thước động cơ cũng phải
tăng.

Hình 1.4. Động cơ tự nâng theo nguyên lý lực Lorentz không răng rãnh [34]
Với mục tiêu xây dựng được động cơ ổ từ theo ngun lý lực Lorentz có cấu
trúc đơn giản, kích thước nhỏ và giá thành thấp, Ueno và các cộng sự đã đề xuất được
một loại động cơ mới có sơ đồ cấu trúc được mơ tả như trong Hình 1.5 [41-45]. Trong
đó các cuộn dây được quấn rải trên stator khơng lõi thép và một cục nam châm hình
trụ được bố trí ngồi rotor. Cả lực nâng lẫn mơ men quay đều được sinh ra dựa trên
sự tương tác giữa dòng điện trong cuộn dây stator và từ trường của nam châm vĩnh

9


cửu (nguyên lý lực Lorentz). Để tránh các hiện tượng gây ra bởi lực từ khơng cân
bằng thì nam châm hình trụ cũng được gắn trên vỏ ngồi với khoảng cách cố định.
Tuy nhiên kiểu động cơ này mới chỉ dừng lại ở mức xây dựng mơ hình ngun lý để
thử nghiệm khả năng sinh mô men quay và lực nâng cho hướng x1 và y1, cịn phía x2
và y2 đang bị hạn chế bởi vịng bi cơ thơng qua một trục dài.

Như vậy với các ưu điểm nổi bật là mật độ công suất lớn, dao động mô men
thấp, mặt cắt stator mỏng và các hằng số lực và mơ men là tuyến tính, động cơ tự
nâng khơng lõi thép có khả năng mở ra hướng ứng dụng tốt cho cơng nghiệp. Do vậy
hướng nghiên cứu phát triển hồn thiện loại động cơ này để có thể dùng được cho các
ứng dụng cụ thể là thực sự cần thiết.

Hình 1.5. Động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực Lorentz [42]
1.2
Tổng quan về động cơ tự nâng stator không lõi thép theo nguyên lý lực
Lorentz
1.2.1 Cấu tạo của động cơ tự nâng stator không lõi thép
Động cơ tự nâng stator không lõi thép (TNSKLT) là động cơ kích từ nam châm
vĩnh cửu stator khơng lõi thép, có chức năng đồng thời tạo mơ men quay lẫn lực nâng.
Mơ hình động cơ TNSKLT được trình bày trên Hình 1.6. Cấu trúc của động cơ tự
nâng stato khơng lõi thép gồm ba phần chính là stator, rotor và tải. Do rotor động cơ
được treo, trục Z (thẳng đứng) được cố định, chiều ngang rotor X-Y được thả lỏng,
vì vậy nghĩa tự nâng ở đây được hiểu là lực đẩy rotor theo hai chiều X-Y. Nguyên lý
cấu tạo cụ thể:

10


Giá đỡ nhơm

Khung nhựa

TẢI

Cuộn dây
stator


Rotor
Vỏ sắt
S

N

Hình 1.6 Mơ hình động cơ tự nâng stator không lõi thép
a) Rotor
Cấu trúc của rotor được trình bày như Hình 1.7, cấu trúc này có một số đặc điểm
như sau:
- Nam châm hai cực hình trụ trịn đều giống như rotor động cơ xoay chiều đồng
bộ nam châm vĩnh cửu SPMM (Surface Permanent Magnet Motor).
- Vỏ sắt bao quanh stator quay cùng rotor để tạo mạch dẫn từ.
- Trục quay.
- Đế nhôm kết nối các thành phần của động cơ để cách từ.
- Khoảng cách của khe hở khơng khí giữa nam châm và vỏ sắt là không đổi
nhằm đảm bảo một từ trường ổn định trong động cơ. Rotor động cơ khơng có ổ bi
khe hở khơng khí giữa stator và rotor được giữ không đổi là do lực nâng ngang trục.
- Trục rotor được nối với tải thí nghiệm bằng khớp nối mềm.
- Các đường sức từ đi ra khỏi bề mặt nam châm có xu hướng quay vịng về phía
cực nam. Dễ dàng nhận thấy nếu khơng có vỏ sắt thì việc xác định mật độ từ thông
tại các điểm xung quanh nam châm vĩnh cửu trở nên rất khó khăn do sự phân bổ từ
thông quanh lõi là không đồng đều. Đây cũng là một điểm khác biệt so với các dòng
động cơ khác.

11


Trục nối

với tải
Khớp nối
mềm

Đế nhơm

S

N

Vỏ sắt

Rotor
Nam châm
Vĩnh cửu

Hình 1.7 Cấu trúc của rotor động cơ tự nâng stato không lõi thép
Vì vậy vỏ sắt có vai trị định hướng khép mạch từ, hay nói cách khác các đường
sức từ sẽ đi ra vng góc với tiếp tuyến tại điểm đó, tạo sự phân bố đồng đều cho từ
trường nằm giữa rotor và stator. Mặt khác, sự có mặt của vỏ sắt sẽ làm giảm sự khuếch
tán từ thông ra bên ngồi (xem Hình 1.8). Điều này rất quan trọng đảm bảo vận hành
động cơ.

N

S

Hình 1.8. Đường sức từ khi có vỏ sắt

12



b) Stator
Stator có cấu tạo như trong Hình 1.9. Stator bao gồm các thanh dây dẫn được
lắp vào khung nhựa.
Khung cuộn dây

Giá đỡ khung cuộn dây

Hình 1.9 Cấu tạo stator động cơ tự nâng stator không lõi thép
Dây quấn là 12 thanh dẫn được thiết kế bằng cách bố trí trên một khung lục
giác. Hình 1.10 trình bày sơ đồ cấu tạo của một vòng dây thanh dẫn của động cơ, dây
dẫn lục giác này bao gồm hai thành phần:
- Phần song song của thanh dẫn (được ký hiệu là ℓp): Đây là thành phần của dây
quấn song song với trục động cơ và vng góc với đường sức từ. Đây cũng là thành
phần chính tạo ra lực và mơ men chuyển động. Độ dài của phần này được thiết kế
đảm bảo mô men và lực nâng đủ lớn dựa trên các tính tốn sẽ được trình bày ở phần
sau.
- Phần nối tiếp của thanh dẫn (được ký hiệu là ℓt): Đây là thành phần của dây
quấn kết nối các phần song song. Chúng khơng hồn tồn được tính tốn độc lập mà
phụ thuộc vào phần song song sao cho đảm bảo góc nghiêng α xác định và có chiều
dài phù hợp để hai cạnh song song của một hình lục giác vừa đủ ¼ chu vi hình trịn
của vỏ nhựa bao quanh rotor.

13