Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của đệm từ trường

[Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 1 1 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: B¸o C¸o §å ¸n §iÖn Tö §IÖn H×nh ThiÕt kÕ hÖ thèng ®Öm tõ tr­êng GVHD: TS.NGY£N DUY C¦¥NG SVTH: 1: NguyÔn TiÕn Hïng: 01689948823 (hung2020success@gmail.com) 2: TrÇn V¨n Ninh: 0936595818 (tuanninh1989bn@gmail.com) Môc tiªu cña ®å ¸n: 1: T×m hiÓu ®­îc nguyªn lý ho¹t ®éng cña ®Öm tõ tr­êng. Nã ®ang ®­îc øng dông ë ®©u, ­u nh­îc ®iÓm cña hÖ thèng ®Öm tõ tr­êng, h­íng ph¸t triÓn trong t­¬ng lai. 2: ThiÕt kÕ ®­îc mét hÖ thèng ®Öm tõ tr­êng nhá, phôc vô cho thÝ nghiÖm, kiÓm chøng l¹i lý thuyÕt ®· t×m hiÓu. 3: H­íng ph¸t triÓn cho t­¬ng lai. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 2 2 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: I : ý t­ëng thiÕt kÕ lªn hÖ thèng ®Öm tõ tr­êng. Ta ®· biÕt khi ®Æt hai cùc cña hai nam ch©m vÜnh cöu l¹i gÇn nhau nÕu cïng cùc tÝnh th× hai nam ch©m sÏ ®Èy nhau, nÕu hai cùc tÝnh kh¸c nhau th× chóng sÏ hót nhau. Tõ ý t­ëng ®ã nÕu ta thay mét nam cham vÜnh cöu b»ng mét nam ch©m ®iÖn cßn nam ch©m vÜnh cöu kia vÉn gi÷ nguyªn. Lúc này ta điều chỉnh lực hút của nam châm điện, sao cho nam châm vĩnh cửu lơ lửng ở vị trí mà ta muốn nó nằm tại đó. Víi ph­¬ng ph¸p trªn ta cã thÓ gi÷ cho mét vËt nµo ®ã mµ ta g¾n vµo Nam ch©m vÜnh cöu l¬ löng trªn kh«ng. Mµ kh«ng cÇn ph¶i gi÷. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 3 3 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: II : ThiÕt kÕ mét m« h×nh ®Öm tõ tr­êng phôc vô cho viÖc nghiªn cøu vµ kiÓm chøng l¹i lý thuyÕt. §Ó thiÕt kÕ ®­îc mét hÖ thèng ®Öm tõ tr­êng tr­íc tiªn ta ph¶i cã 2 phÇn tö. 1 : Nam ch©m vÜnh cöu: Ta sÏ g¾n vËt cÇn l¬ löng lªn nam ch©m vÜnh cöu nhê lùc hót gi÷a nam ch©m ®iÖn vµ nam ch©m vÜnh cöu sÏ lµm cho vËt ®ã l¬ löng theo. 2: Nam ch©m ®iÖn: Nam ch©m ®iÖn lµ phÇn t¹o ra tõ tr­êng vµ t¹o ra mét lùc hót t¸c ®éng vµo nam ch©m vÜnh cöu, gi÷ cho vËt cÇn l¬ löng kh«ng bÞ r¬i. Ta cho Nam ch©m ®iÖn vµ Nam ch©m vÜnh cöu t­¬ng t¸c víi nhau. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 4 4 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: Sau Khi hoµn thiÖn vµ trang trÝ thªm ta cã ®­îc hÖ thèng nh­ bªn.  Khèi Nam Ch©m §iÖn + Sensor ®Æt trªn cïng cã t¸c dông t¹o lùc hót vµ x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña nam ch©m vÜnh cöu.  Nam ch©m vÜnh cöu ®­îc g¾n trùc tiÕp vµo vËt cÇn L¬ Löng.  M¹ch ®iÒu khiÓn cho toµn bé hÖ thèng ®­îc ®Æt bªn d­íi cïng, võa h¹n chÕ ¶nh h­ëng cña tõ tr­êng tíi m¹ch, võa tËn dông lµm ®Õ cho hÖ thèng lu«n. III: ThiÕt KÕ M¹ch §iÖn Thùc HiÖn Theo Yªu CÇu §Ò Ra.  Yªu CÇu Cña HÖ Thèng Lµ:  VËt cÇn l¬ löng ph¶i ®øng yªn, l¬ löng trªn kh«ng mµ kh«ng c©ng gi÷ b»ng mét vËt hoÆc d©y nµo.  Nam ch©m ®iÖn vµ nam ch©m vÜnh cöu cã mét kho¶ng c¸ch gÇn nh­ kh«ng ®æi. 1. ý T­ëng ThiÕt KÕ M¹ch §iÖn:  Ta tÝnh to¸n kho¶ng c¸ch gi÷a nam ch©m ®iÖn vµ nam ch©m vÜnh cöu sao cho hîp lý, sau ®ã gi÷ cho kho¶ng c¸ch ®ã kh«ng ®æi trong qu¸ tr×nh hÖ thèng ho¹t ®éng, nÕu nam ch©m vÜnh cöu h¹ thÊp ®é cao h¬n so víi vÞ trÝ ta mong muèn th× t¨ng lùc hót cña nam ch©m ®iÖn lªn dÉn ®Õn nam ch©m ®iÖn sÏ kÐo nam ch©m vÜnh cöu vÒ vÞ trÝ ta ®Æt. Khi nam ch©m vÜnh cöu lªn cao h¬n vÞ trÝ ®é cao ta mong muèn th× gi¶m lùc hót cña nam ch©m vÜnh cöu ®i ®Ó nam ch©m vÜnh cöu h¹ thÊp ®é cao xuèng vÞ trÝ ta mong muèn. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 5 5 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.1: Dùa trªn b¸o c¸o khoa häc cña “Ph.D James Cicon” (1) (BUILD A MAGNETIC BALL LEVITATOR - 1996)  Trong b¸o c¸o ®ã TiÕn SÜ James Cicon cã ®­a ra mét hÖ thèng kÝn sö dông PID ®Ó ®iÒu khiÓn cho Nam ch©m ®iÖn, sö dông ph¶n håi nhê c¶m biÕn IR.  Víi s¬ ®å cÊu tróc nh­ trªn cã thÓ gi¶i thÝch vÒ nguyªn lý ho¹t ®éng nh­ sau.  Khèi “Control Input” Ta ®Æt tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn, l­îng ®Æt t¹i khèi nµy.  Khèi “PID” cã t¸c dông ®­a ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn cho “Actuator” ThiÕt bÞ chÊp h×nh (ë ®©y lµ Nam Ch©m ®iÖn), vµ nhËn tÝn hiÖu sai lÖch ph¶n håi vÒ tõ Sensor ®iÒu chØnh sao cho ®Çu ra tiÕn ®Õn l­îng ®Æt.  Khèi “Actuator” Lµ Nam Ch©m §iÖn khèi nµy cã t¸c dông t¹o ra tõ tr­êng, t¹o ra mét lùc hót t¸c ®éng vµo Nam Ch©m vÜnh cöu gióp cho Nam Ch©m vÜnh cöu gi÷ ®­îc vÞ trÝ mong muèn.  Khèi “Sensor” ë thiÕt kÕ cña “Ph.D James Cicon” ¤ng dïng mét cÆp thu ph¸t tÝn hiÖu hång ngo¹i ®Ó ph¸t hiÖn VÞ trÝ cña nam ch©m vÜnh cöu. Khi Nam Ch©m vÜnh cöu ®¹t ®Õn vÞ trÝ mµ ta ®Æt th× nã sÏ cã tÝn hiÖu ph¶n håi ®­a vÒ Khèi PID khèi nµy gi¶m hoÆc ngõng ®­a tÝn hiÖu ®Õn Khèi “Actuator” [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 6 6 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: lµm cho Nam Ch©m vÜnh cöu kh«ng tiÕn ®Õn gÇn qu¸ so víi vÞ trÝ cÇn ®Æt.  Gi¶i ThÝch Nguyªn Lý Ho¹t §éng Cña S¬ §å Nµy:  B¾t ®Çu khëi ®éng hÖ thèng lªn, ta ch­a ®­a Nam Ch©m vÜnh cöu (Cã g¾n vËt cÇn gi÷ L¬ Löng) vµo vÞ trÝ cÇn L¬ Löng. Lóc nµy kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶n håi ®­a vÒ tõ “Sensor” lµm cho bé “PID” lóc nµy cÊp tÝn hiÖu ®Õn Khèi “Actuator” lµm cho nam ch©m vÜnh cöu ho¹t ®éng m¹nh nhÊt vµ ph¸t ra tõ tr­êng ®Ó ®îi hót Nam Ch©m vÜnh cöu vµo.  Khi ta ®­a Nam Ch©m vÜnh cöu vµo khu vùc cÇn L¬ Löng lóc nµy Nam Ch©m vÜnh cöu bÞ Nam Ch©m ®iÖn hót vµo gÇn nã vµ tiÕn ®Õn khu vùc L¬ Löng, nÕu Nam Ch©m vÜnh cöu ch­a tiÕn ®Õn ®óng vÞ trÝ ®Æt th× “Sensor” vÉn ch­a ®­a ph¶n håi vÒ bé “PID” lóc nµy Nam Ch©m §iÖn vÉn ®­îc cÊp ®iÖn vµ tiÕp tôc hót Nam Ch©m VÜnh Cöu vÒ phÝa nã. NÕu Nam Ch©m vÜnh cöu ®· tiÕn ®Õn khu vùc cÇn L¬ Löng hoÆc tiÕn ®Õn gÇn h¬n so víi vÞ trÝ ®Æt th× “Sensor” sÏ ®­a tÝn hiÖu ph¶n håi vÒ Khèi “PID” khèi nµy sÏ ®iÒu chÜnh tÝn hiÖu ®­a vµo Nam Ch©m ®iÖn lµm cho lùc hót gi¶m ®i vµ lµm cho nam ch©m vÜnh cöu h¹ thÊp ®é cao xuèng s¬ víi vÞ trÝ tr­¬c.  Cø tiÕp tôc nh­ thÕ Nam Ch©m vÜnh cöu sÏ c©n b»ng t¹i vÞ trÝ ta cÇn ®Æt vµ æn ®Þnh t¹i ®ã, kÐo theo vËt cÇn L¬ Löng còng L¬ Löng theo. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 7 7 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.2: ThiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö lµm viÖc theo s¬ ®å hÖ thèng trªn. III.2.1: M¹ch Nguyªn Lý: M¹ch gåm c¸c khèi sau: - Khèi Nguån: o §iÖn ¸p tõ biÕn ¸p ®c ®­a qua bé chØnh l­u cÇu ®Ó chuyÓn thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, vµ ®c läc b»ng 2 tô ®iÖn cho ®iÖn ¸p b»ng ph¼ng h¬n vµ lo¹i thµnh phÇn bÆc cao ®i. T¹i ®©y ta ®­îc ®iÖn ¸p 30VDC. o 30VDC ®­a vµo IC LM7812 ®Çu ra ta nhËn ®c ®iÖn ¸p 12VAC æn ¸p ®Ó ®­a vµo Sensor. - Khèi PID: o Ta sö dông IC LM358 (Gåm 2 IC khuÕch ®¹i thËt to¸n vµ kh«ng cÇn sö dông nguån ®èi xøng) o Ta kÕt nèi tô ®iÖn, ®iÖn trë, biÕn trë ®Ó ®­îc m¹ch PID. - Khèi KhuÕch ®¹i + C¸ch ly tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn víi m¹ch lùc: o Ta sö dông IRF540 ®Ó khuÕch ®¹i, ®ãng c¾t, c¸ch ly gi÷a m¹ch ®iÒu khiÓn vµ m¹ch lùc. - Khèi Sensor: o Ta sö dông Sensor A3121 Hall-Effect Sensor. IC nµy ho¹t ®éng dùa vµo tõ tr­êng, khi cã tõ tr­êng cña nam ch©m vÜnh cöu t¸c ®éng vµo Sensor th× ®Çu ra Out sÏ xuÊt mét tÝn hiÖu d­¬ng ®Õn bé PID. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 8 8 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: III.2.1: M¹ch In (PCB). III.2.3: ThiÕt kÕ phÇn khung vµ s¾p xÕp c¸c khèi sao cho hÖ thèng ho¹t ®éng tèt nhÊt. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 9 9 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: IV: H­íng Ph¸t TriÓn Trong T­¬ng Lai : HiÖn nay t¹i nhËt b¶n hä ®· ph¸t triÓn hÖ thèng tÇu ®iÖn sö dông ®Öm tõ tr­êng, ®Öm tõ tr­êng gióp cho tèc ®é cña tÇu ®­îc t¨ng lªn v× ®Öm tõ tr­êng h¹n chÕ ma s¸t gi÷a tÇu vµ vËt kh¸c, víi ®Öm tõ tr­êng n©ng tÇu l¬ löng trªn kh«ng khÝ dÉn ®Õn chØ cßn mçi ma s¸t gi÷a tÇu vµ kh«ng khÝ lµ lµm gi¶m tèc ®é cña tÇu. Nhê cã ®Öm tõ tr­êng mµ tèc ®é cña tÇu ®iÖn cã thÓ 499Km/h (4) vµ ch¹y ªm h¬n, ph¸t ra Ýt tiÕng ®éng h¬n tÇu b¸nh xe b×nh th­êng. Sö dông ®Öm tõ tr­êng ta kh«ng ph¶i quan t©m ®Õn vÊn ®Ò b¸nh xe vµ thêi tiÕt ®Ó tÇu ho¹t ®éng, ngoµi ra ®Öm tõ tr­êng cßn gi¶m tèc vµ ®iÒu khiÓn ®­îc tèt h¬n so víi tÇu b¸nh xe th«ng th­êng. [Nguyễn Tiến Hùng - Trần Văn Ninh] – K44KĐT – TNUT Page 10 10 [Thiết Kế Hệ Thống Đệm Từ Trường] - GVHD: Tµi LiÖu Tham Kh¶o: (1) (2) Build a Magnetic Ball Levitator – Ph.D James Cicon – 1996 (3) (4) nghe-dem-tu-truong-moi/201212/155887.vgp