Đề tài Thiết kế chế tạo mô hình DIAFRAM tự động

g mở chính xác. Với mạch điều khiển hình 2-5, tuy điều khiển đóng/mở Diafram theo tín hiệu điện và tránh được hiện tượng kẹt giữa các lá kim loại; nhưng do động cơ (ở đây là động cơ một chiều) điều khiển dẫn động đóng mở Diafram không quay toàn vòng nên gây lãng phí điện năng không tải. Mặt khác, quán tính của động cơ này lớn nên thời gian trễ lớn khi động cơ đảo chiều quay cũng như mômen mở máy lớn. 2.2.3. Chọn phương pháp điều khiển tự động Diafram Hình 2-6 mô tả sơ đồ khối của phương pháp điều khiển Diafram tự động mà ta chọn, đây là khối khép kín. Tùy thuộc vào độ rọi yêu cầu trên CCD và độ rọi yêu cầu trên ảnh – tương ứng với mức ngưỡng điện áp đặt vào các bộ so áp, khi mức độ rọi lớn hay bé hơn độ rọi yêu cầu, ngõ ra các bộ so áp sẽ có tín hiệu thuận hay nghịch kích thích động cơ dẫn động đóng - mở Diafram. Do động cơ dạng điện kế từ điện có ưu điểm là tác động gần như tức thời khi có tín hiệu điều khiển do quán tính và mômen mở máy bé, tiêu thụ ít điện năng, tổn hao công suất bé; nên ta chọn động cơ này để dẫn động đóng/mở Diafram. Tín hiệu điều khiển động cơ không phải qua các chuỗi xử lý tín hiệu số, mạch điều khiển rất đơn giản gồm các linh kiện điện tử rời, nhưng điều khiển chính xác và hiệu quả. Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM 3.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG Những đại lượng trắc quang là những đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn sáng và mức độ sáng của mặt vật được chiếu sáng. 3.1.1. Quang thông Gọi là năng thông của các sóng sáng đơn sắc có bước sóng từ đến truyền qua diện tích thì tỷ số là một hàm số phụ thuộc : (3.1) gọi là hàm phân bố năng lượng sáng. Năng thông sóng có đơn vị đo là watt (W). Từ (3.1), ta có: (3.2) Do đó năng thông của các sóng sáng có bước sóng từ đến truyền qua diện tích sẽ là: (3.3) Những sóng sáng đơn sắc có cùng năng thông nhưng có bước sóng khác nhau sẽ gây nên những cảm giác sáng có cường độ khác nhau. Với sóng sáng đơn sắc có bước sóng (xanh lục) gây nên cảm giác sáng có cường độ mạnh nhất. Với những sóng sáng có hoặc , cường độ cảm giác sáng giảm rất nhanh. Những sóng điện từ có bước sóng (tử ngoại) và (hồng ngoại) không gây ra cảm giác sáng. Nếu là năng thông của sóng sáng đơn sắc và là năng thông của sóng sáng đơn sắc gây ra cảm giác sáng có cùng cường độ thì tỷ số sẽ là một hàm số phụ thuộc bước sóng : (3.4) được gọi là hàm nhậy sáng. Hình 3-1 là đồ thị biểu diễn phụ thuộc vào , trong đó: =1 ứng với bước sóng . <1 trong khoảng . =0 khi hoặc . Như vậy, để đặc trưng cho năng lượng của sóng sáng cả về mặt sinh lý (tác dụng gây nên cảm giác sáng), ta phải đưa vào một đại lượng vật lý gọi là quang thông. Quang thông của sóng sáng đơn sắc có bước sóng từ đến truyền qua mặt được xác định theo biểu thức: (3.5) Thay giá trị của trong (3.2) vào (3.5), ta có: (3.6) Do đó quang thông của mọi sóng sáng đơn sắc truyền qua mặt bằng: (3.7) Vậy, quang thông của các sóng sáng truyền qua mặt là đại lượng có trị số bằng phần năng thông sóng sáng gây ra cảm giác sáng truyền qua mặt . Đơn vị đo của quang thông là lumen (lm). 3.1.2. Cường độ sáng Cường độ sáng I của nguồn sáng điểm S theo phương y là một đại lượng vật lý có trị số bằng quang thông sóng sáng truyền đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó. Góc khối nhìn mặt từ điểm S là phần không gian giới hạn trong mặt nón có đỉnh tại S và có các đường sinh tựa trên chu vi của mặt . Đơn vị đo của góc khối là steradian (sr). Gọi r là khoảng cách từ điểm S đến mặt , là góc giữa pháp tuyến của mặt và phương truyền sáng y, là hình chiếu của mặt trên mặt phẳng vuông góc với phương truyền sáng y. Khi đó, từ hình 3-2 ta suy ra: (3.8) Nếu là quang thông của sóng sáng phát ra từ nguồn điểm S truyền đi trong góc khối , thì ta có: (3.9) Nói chung, cường độ sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, nghĩa là: , với và là góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu. Nếu cường độ sáng theo mọi phương như nhau (I = const) thì nguồn sáng được gọi là nguồn đẳng hướng. Quang thông toàn phần do nguồn điểm đẳng hướng truyền đi trong toàn không gian bằng: (3.10) Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd). Candela là cường độ sáng phát ra từ một diện tích bằng 1/600.000 m2 của một vật bức xạ toàn phần theo phương vuông góc với diện tích này ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101.325 Pa. Theo (3.10), nguồn điểm đẳng hướng có cường độ 1 cd sẽ phát ra không gian bao quanh nó (ứng với góc khối steradian) một quang thông toàn phần bằng 1 lm. Như vậy, lumen là quang thông của một nguồn điểm đẳng hướng có cường độ sáng 1 candela truyền đi trong góc khối 1 steradian. 3.1.3. Độ trưng sáng và độ chói sáng Nguồn sáng có kích thước xác định không thể bỏ qua so với khoảng cách từ nó đến vị trí cần quan sát gọi là nguồn khối. Khả năng phát sáng của một nguồn khối phụ thuộc vào diện tích mặt phát sáng và phương phát sáng của nguồn đó. Vì thế nó được đặc trưng bằng hai đại lượng khác nhau: độ trưng sáng và độ chói sáng. 3.1.3.1. Độ trưng sáng Độ trưng sáng của một nguồn khối là đại lượng vật lý có trị số bằng quang thông toàn phần phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn đó (theo mọi phương) trong không gian. Nếu là quang thông toàn phần phát ra từ phần tử diện tích ngoài của nguồn khối thì độ trưng sáng của phần tử diện tích sẽ bằng: (3.11) Đơn vị đo của độ trưng sáng là lumen trên mét vuông (lm/m2). Lumen trên mét vuông là độ trưng sáng của một nguồn khối mà cứ một mét vuông mặt ngoài của nó phát ra một quang thông toàn phần 1 lumen. 3.1.3.2. Độ chói sáng Độ chói sáng của một nguồn khối theo phương phát sáng y là một đại lượng vật lý có trị số bằng cường độ phát sáng do một đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn khối phát ra theo phương đó. Nếu là quang thông do phần tử diện tích vô cùng nhỏ của nguồn khối phát ra trong góc khối thì độ chói sáng của theo phương y sẽ bằng: (3.12) Trong đó là cường độ sáng của theo phương phát sáng y, là hình chiếu của mặt trên mặt phẳng vuông góc với phương phát sáng y, còn là góc giữa phương y và pháp tuyến của mặt (hình 3-3). Tương tự, độ chói sáng cũng được dùng để đặc trưng cho mặt phản xạ ánh sáng truyền tới nó. Nói chung, độ chói sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, tức là , với và là các góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu. Nếu độ chói sáng theo mọi phương đều bằng nhau (B = const) thì nguồn khối gọi là nguồn sáng Lambert. Người ta chứng minh được rằng độ trưng sáng R và độ chói sáng B của nguồn Lambert liên hệ với nhau bởi hệ thức: (3.13) Đơn vị đo của độ chói là nit (nt) hay candela trên mét vuông (cd/m2). Nit hay candela trên mét vuông là độ chói sáng của một mặt phát sáng theo phương vuông góc với nó, nếu theo phương này, cường độ sáng của một mét vuông mặt phát sáng là 1 candela. Mắt có thể thấy được độ chói nhỏ nhất vào cỡ . Dưới đây là bảng số liệu về độ chói của một số mặt phát sáng: Mặt phát sáng Độ chói sáng (nit) Đèn ống phát sáng 1000 Đèn dây tóc phát sáng Mặt trăng ngày rằm nhìn qua khí quyển 2500 Mặt trời ngày quang mây 3.1.4. Độ rọi sáng Độ rọi sáng trên mặt vật là một đại lượng vật lý có giá trị số bằng quang thông toàn phần truyền tới một đơn vị diện tích của mặt vật đó. Nếu là quang thông toàn phần truyền tới phần tử diện tích của mặt vật thì độ rọi sáng trên mặt vật sẽ bằng: (3.14) Đối với phần tử diện tích được rọi sáng bởi nguồn sáng điểm S có cường độ sáng I phát ra trong góc khối chắn bởi diện tích (hình 3-2) thì theo (3.8) và (3.9), quang thông truyền tới diện tích sẽ bằng: (3.15) Trong đó r là khoảng cách từ nguồn điểm S đến diện tích và là góc hợp bởi phương truyền sáng y với pháp tuyến của diện tích . Thay (3.15) vào (3.14), ta tìm được độ rọi sáng trên diện tích của mặt vật bằng: (3.16) Vậy: độ rọi sáng trên mặt vật được rọi sáng bởi nguồn điểm có trị số tỷ lệ thuận với cường độ sáng và cosin góc tới của chùm sáng truyền đến mặt vật và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn điểm đến mặt vật đó. Vì độ rọi sáng E và độ trưng sáng R có cùng thứ nguyên nên để phân biệt, người ta gọi đơn vị đo độ rọi sáng là lux (lx). Lux là độ rọi sáng trên mặt của một vật mà mỗi mét vuông của mặt vật đó nhận được quang thông 1 lumen truyền tới. Dưới đây là bảng số liệu về độ rọi trên mặt của một số vật: Địa điểm và điều kiện rọi sáng Độ rọi sáng (lux) Trong phòng ban ngày 100 Trên bàn làm công việc tinh vi Đọc sách Sáng trăng đêm rằm trên mặt đất 0,2 3.1.5. Định luật Lambert Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt, hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt mờ, hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt mờ, một phần ánh sáng được mặt này phát lại theo hai cách sau đây: (1) Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học hay định luật Descartes. (2) Sự phản xạ hoặc truyền khuyếch tán theo định luật Lambertertau. Trong đó cách nào chiếm ưu thế là tùy thuộc vào vật liệu sử dụng. Công thức cuối cùng của định luật Lambert như sau: (3.17) Trong đó gọi là hệ số phản xạ. Khi hệ quang có hệ số truyền qua (3.17) trở thành: (3.18) Tóm lại, ta gọi độ sáng M là tỷ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích, cho dù nguyên nhân phát sáng có thể là phản xạ, truyền dẫn hay phát xạ nội tại như mặt cảm nhận ánh sáng của camera. 3.2. TÍNH TOÁN HÀM ĐỘ RỌI CỦA ẢNH TRÊN CCD [1] Xét một phần tử góc khối vô cùng nhỏ , các kí hiệu khác được cho trên hình 3-4. Khai triển một phần tử vành khăn trên , gọi dS là diện tích của phần tử vành khăn này (hình 3-4), ta có các quan hệ sau: Từ (3.9) và coi cường độ sáng của đối tượng thu hình phân bố theo định luật Lambert (), ta suy ra: , do đó ta có: (3.19) Độ chói B và cường độ sáng I có quan hệ sau: = (3.20) Trong đó: – là cường độ sáng từ vật theo hướng thu hình. - là góc hợp bởi hướng thu hình và pháp tuyến với vật thu hình. - là hình chiếu của đối tượng quay có diện tích S lên mặt phẳng vuông góc với hướng thu hình. Biểu thức (3.20) cho thấy rằng, nếu đối tượng quay phát xạ theo định luật Lambert thì độ chói B không thay đổi theo hướng quay. Thay (3.20) vào (3.19), nhận được: (3.21) Từ (3.14), chú ý đến (3.17) và (3.21), ta có: (3.22) Từ hình 3-5, ta có: (3.21) Thay (3.21) và (3.20) vào (3.19), ta nhận được: (3.22) Biểu thức (3.22) cho thấy rằng, độ rọi của ảnh không có quan hệ tuyến tính với đường kính của Diafram. 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DIAFRAM Các yêu cầu chung của Diafram: -Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. -Gọn nhẹ, dễ lắp ráp vào các máy quay du lịch. -Làm việc êm, không kẹt, ma sát nhỏ. -Lực khởi động nhỏ, quán tính bé, tiết kiệm điện năng. 3.3.1. Các thông số cho trước Hệ quang trong ống kính của camera chuyên dụng gồm bốn thấu kính, tiêu cự chung của cả hệ là 25 mm. Cách bố trí hệ quang được mô tả như trên hình 3-6. Các thông số của hệ quang: Tiêu cự . Hệ số phản xạ . Hệ số truyền qua . Độ rọi . Chọn cỡ của chíp CCD là loại 18 mm (2/3 inch) (hình 3.7). 3.3.2. Thông số thiết kế Xét tam giác (hình 3-8), áp dụng hệ thức lượng trong tam giác, ta có: (3.24) Trong đó: (D là đường kính trung bình của Diafram); ( là tiêu cự của ống kính; z’ là khoảng cách từ tiêu điểm đến mặt phẳng ảnh). Ta được: hay (3.25). Trong (3.24) và (3.25), u’ là góc mở ảnh. Thay (3.25) vào (3.22), ta được: (3.26) Biểu thức (3.26) cho thấy, hàm độ rọi E’ phụ thuộc trực tiếp vào độ chói B và thông số D của Diafram. Rõ ràng là, với một độ rọi xác định, khi D tăng thì B giảm hoặc ngược lại. Ta lại có (chú ý đến (3.17); (3.22) và hình 3-7): (3.27) Trong đó Khi tính toán thiết kế, phải tính để chế tạo . Vậy: Vì , nên coi . Vậy ta được: 3.3.3. Thiết kế biên dạng của các lá chắn đóng - mở Diafram Biên dạng các lá chắn có dạng đường xoắn ốc Ác-si-mét, nghĩa là có bán kính vector biên dạng thay đổi từ đến với một góc quay hữu hạn (quay không toàn vòng). Ứng với bán kính vector , đường kính trung bình của Diafram sẽ là lớn nhất, và với bán kính vector , đường kính trung bình của Diafram sẽ là nhỏ nhất. Các lá chắn này được gắn trực tiếp vào trục quay của động cơ một chiều dạng tay đưa (xem chương 4, phần thiết kế-tính toán hệ dẫn động). Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ 4.1.1. Một số khái niệm cơ bản 4.1.1.1. Từ trường chính và từ trường cản Trong máy điện, các cực từ có cực tính khác nhau, bố trí đan xen nhau, từ thông đi từ cực bắc N, qua khe hở phần ứng về cực nam S làm thành mạch kín. Từ thông này, gọi là từ thông chính , cảm ứng nên sức điện động (s.đ.đ) trong dây quấn khi phần ứng quay và tác dụng với dòng điện trong dây quấn sinh ra mô men. Phần từ thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông cản , không cảm ứng nên s.đ.đ và mô men trong phần ứng, nhưng nó làm cho bão hòa từ và gông từ tăng lên. Vậy, từ thông cực đại là: (4.1) Với là hệ số tản từ, thường . 4.1.1.2. Sức từ động cần thiết sinh ra từ thông. Theo định luật toàn dòng điện, trong mạch từ kín, tổng s.đ.đ bằng tích phân vòng của cường độ từ trường trong mạch trong mạch từ đó: (4.2) Nếu chia mạch từ làm năm đoạn: khe hở, răng phần ứng, lưng phần ứng, cực từ và gông từ. Khi đó (4.2) trở thành: (4.3) Trong đó , r, u, c, g lần lượt là chỉ số chỉ khe hở, răng phần ứng, lưng phần ứng, cực từ và gông từ; h là chiều cao; l là chiều dài. - sức từ động cho một đôi cực. Nếu ở trong không khí, cường độ từ trường cho bởi: (4.4) Với là từ cảm trên các đoạn, , , là từ thông, tiết diện, hệ số từ thẩm của các đoạn. Do trong sắt từ, thay đổi, nên tìm H theo đường đặc tính từ hóa vật liệu. a. Tính sức từ động khe hở Giả sử đường cong phân bố từ cảm là hình chữ nhật, chiều cao ; đáy , b’ là cung tính toán lực từ; là bước cực - khoảng cách giữa hai cực từ tính trên chu vi phần ứng (D là đường kính phần ứng, p là số đôi cực); là hệ số tính toán của cung cực từ. Nếu kể đến khe hở răng, khi đó: (4.5) Trong đó: (4.6) là hệ số khe hở ( là bước răng; là chiều rộng đỉnh răng). Khi chiều dài lõi sắt có rãnh thông gió hướng tâm, thay b’ bởi gọi là chiều dài tính toán phần ứng, với: (4.7) Trong đó: - chiều dài cực từ theo trục máy; - chiều dài lõi sắt phần ứng không tính đến rãnh thông gió; - chiều dài thực lõi sắt; - số rãnh và chiều rộng rãnh thông gió. Vậy, với từ thông chính nào đó, từ cảm khe hở: (4.8) S.t.đ khe hở: (4.9) b. Tính s.t.đ răng Xét một tiết diện đồng tâm với mặt phần ứng, cách đỉnh răng một khoảng x. Khi đó: (4.10) Trong đó: - từ thông đi qua răng; - từ thông đi qua rãnh. Chia hai vế (4.10) cho tiết diện mặt cắt của răng; (4.11) Đại lượng gọi là từ cảm tính toán của răng; (4.12). Trong đó: - tiết diện của rãnh; - từ cảm và cường độ từ trường trong tiết diện rãnh đã cho; (4.13)- hệ số răng phụ thuộc vào kích thước răng và rãnh; - tiết diện bước răng ở độ cao x; - bước răng ở độ cao x; - chiều dài lõi sắt; - hệ số ép chặt lõi sắt. Khi mặt cắt hình trụ ngang răng và rãnh ở độ cao x là đẳng trị của từ trường thì . Do đó, theo (4.11) và (4.12) ta có: (4.14) (4.15) Trong đó: - chiều dài tính toán và chiều dài thực lõi sắt; - chiều rộng răng ở độ cao x; - hệ số ép chặt; - bước răng phần ứng. Trị số tính toán của cường độ từ trường trung bình bằng: (4.16) Nếu gọi là chiều cao răng, s.t.đ răng đối với một đôi cực là: (4.17) c. Sức từ động ở lưng phần ứng Từ cảm ở lưng phần ứng cho bởi: (4.18). Trong đó: - từ thông phần ứng; - tiết diện lưng phần ứng; - chiều cao phần ứng. Vậy, sức từ động trên lưng phần ứng sẽ là: (4.19) d. Tính sức từ động trên cực từ và gông từ Từ thông đi qua dưới cực từ lớn hơn từ thông chính , , với . Từ thông trong gông từ bằng: . Nếu coi từ thông trên cực từ và gông từ không đổi, từ cảm trên cực từ và gông từ bằng: (4.20). Trong đó: - tiết diện cực từ và gông từ. Vậy, s.t.đ trên cực từ và gông từ bằng: (4.21). Trong đó: - chiều cao cực từ; - chiều dài trung bình của gông từ. 4.1.1.3. Quan hệ điện - từ trong máy điện một chiều. a. Mô men điện từ và công suất Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn có giá trị: (4.22) Mô men điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng là: (4.23). Trong đó: N- tổng số thanh dẫn của dây quấn; - dòng điện trong mạch nhánh; - từ cảm trung bình của khe hở; số đôi mạch nhánh; l- chiều dài tác dụng của thanh dẫn; D- đường kính ngoài phần ứng. Vì nên: (4.24). Trong đó: - từ thông dưới mỗi cực, Wb; - hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện. Công suất ứng với mô men điện từ đưa ra gọi là công suất điện từ: (4.25). Trong đó: M- mô-men điện từ; - vận tốc góc phần ứng; Thay (4.24) vào (4.25), nhận được: (4.26) b. Quá trình năng lượng và các phương trình cân bằng Công suất mà động cơ điện nhận được từ lưới vào là: (4.27). Trong đó: - dòng điện từ lưới vào ( là dòng điện vào phần ứng; là dòng điện kích thích); U- điện áp ở đầu cực máy. Công suất , một phần cung cấp cho mạch kích thích , một phần đi vào phần ứng , tiêu hao một ít trên dây quấn đồng trên mạch phần ứng , còn lại là công suất điện từ: (4.28) Công suất điện từ, sau khi chuyển thành công suất cơ thì còn tiêu hao một ít để bù vào công suất không tải . Cuối cùng, phần còn lại là công sụất đưa ra ở đầu trục . Vậy: (4.29) Từ (4.27) và (4.28), ta có công suất trong mạch phần ứng là: (4.30) Chia hai vế của (4.30) cho , ta được: (4.31) Phương trình (4.31) được gọi là phương trình cân bằng s.đ.đ của động cơ điện một chiều. Mặt khác, từ (4.29) ta có: hay (4.32). Trong đó: - mô-men đưa ra đầu trục máy; - mô-men không tải. Quan hệ (4.32) gọi là phương trình cân bằng mô-men của động cơ điện một chiều. 4.1.1.4. Đặc tính của động cơ điện một chiều a. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều Đặc tính cơ n = f(M) có thể xác định bằng biểu thức: (4.33) Vì , nên (4.33) trở thành: (4.34) Trong đó, - là hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy và dây quấn. Để xác định điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền động, ta xét các đặc tính M = f(n) của động cơ và của tải. Ở hình 4-11a, sự tăng tốc ngẫu nhiên nào đó () thì và động cơ điện bị hãm lại để trở về tốc độ ban đầu ứng với điểm P. Cũng như vậy, khi giảm tốc độ đột nhiên , động cơ được gia tốc và đạt tốc độ . Đây là trường hợp động cơ làm việc ổn định. Vậy điều kiện làm việc ổn định của động cơ sẽ là: (4.35) Ở hình 4-11b, M = f(n) và Mc = f(n) thì việc tăng tốc độ đột nhiên sẽ làm cho động cơ có mô-men gia tốc dương, khiến cho tốc độ tiếp tục tăng mãi, hoặc sự giảm tốc độ sẽ làm cho tốc độ tiếp tục giảm. Vậy, truyền động làm việc không ổn định khi: (4.36) Từ (4.24) có thể thấy rằng, để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, có thể thực hiện bằng cách thay đổi các đại lượng . b. Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập Với những điều kiện khi M (hoặc In) thay đổi, từ thông của động cơ cũng hầu như không đổi, do ảnh hưởng làm giảm bớt từ thông của phản ứng ngang trục của phần ứng rất nhỏ nên (4.34) có thể viết lại như sau: (4.37) Đặc tính cơ của động cơ kích thích song song là một đường thẳng như hình 4-12. Đây còn được gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Vì rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ 0 đến định mức, tốc độ giảm rất ít (từ tốc độ định mức) do đó đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Động cơ điện kích thích song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi. c. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp Ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích là dòng điện phần ứng . Vì vậy có thể biểu thị: (4.38) Trong đó - hệ số tỷ lệ, khi , khi , hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hòa của mạch từ. Vậy, biểu thức mô-men sẽ có dạng: (4.39) Thay (4.39) vào (4.34), ta được: (4.40) Nếu bỏ qua thì: , hay (4.41) Quan hệ (4.41) cho thấy, khi mạch từ chưa bão hòa, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng hypecbol bậc hai (đường 1 trên hình 4-13). Rõ ràng, với động cơ này, n giảm rất nhanh khi M tăng và khi mất tải (I = 0, M = 0), M có trị số rất lớn. Thực tế, do ảnh hưởng của bão hòa khi tải tăng, tốc độ của động cơ giảm ít hơn theo đường nét đứt (hình 4-13). d. Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp. Động cơ này có thể được chế tạo sao cho tác dụng của các dây quấn kích thích song song và nối tiếp hoặc bù nhau hoặc ngược nhau. Song thường sử dụng loại động cơ điện kích thích hỗn hợp bù vì động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định. Đặc tính cơ của động cơ điện kích thích hỗn hợp bù nằm trung gian giữa hai loại động cơ kích thích song song và kích thích nối tiếp. Đặc tính cơ của các loại động cơ điện nói trên như hình 4-14. Trong đó, đường 1- động cơ điện kích thích hỗn hợp bù; đường 2- động cơ điện kích thích hỗn hợp ngược; đường 3- động cơ điện kích thích song song; 4- động cơ điện kích thích nối tiếp. 4.1.1.5. Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều gồm các quan hệ n, M, khi . Từ (4.33) và (4.34), ta thấy rằng, về căn bản đặc tính tốc độ có dạng giống các đặc tính cơ. Hình 4-15a mô tả các đặc tính tốc độ của các động cơ theo đơn vị tương đối. Trong đó đường 1- động cơ kích thích song song; đường 4- động cơ kích thích nối tiếp; đường 2 và 3 có tính chất trung gian giữa 1 và 4 - ứng với động cơ kích thích hỗn hợp. Đặc tính mô-men khi biểu thị quan hệ . Ở động cơ kích thích song song nên M phụ thuộc vào theo quan hệ đường thẳng (đường I). Ở động cơ kích thích nối tiếp do đó và dạng đặc tính mô-men là đường parabol (đường IV). Ở động cơ kích thích hỗn hợp, đường đặc tính mô-men là đường trung gian giữa I và IV (đường II và III). Đặc tính hiệu suất khi của các loại động cơ một chiều có dạng như hình 4-15b. Hiệu suất cực đại của động cơ điện một chiều thường được tính toán với dòng điện tải , lúc đó các tổn hao cơ và tổn hao sắt từ bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào điện trở các dây quấn và tỷ lệ với bình phương của dòng điện . Hiệu suất các động cơ nhỏ . Ở động cơ công suất trung bình và lớn . 4.1.2. Chọn dạng, tính toán và thiết kế động cơ. Các yêu cầu của động cơ: -Tác động nhanh, nhạy và chính xác khi có tín hiệu điều khiển. -Quán tính bé, độ ổn định cao. -Tiêu thụ ít điện năng, ít tổn hao công suất. -Nhỏ gọn, dễ chế tạo, giá thành hạ. Để thỏa mãn các yêu cầu trên và do yêu cầu về công suất không cao, nên ta chọn động cơ dạng điện kế từ điện (VOM). Động cơ thiết kế có cấu tạo tương tự như động cơ điện kích thích độc lập với cực từ là nam châm vĩnh cửu. Rô to được chế tạo theo kiểu phần ứng rỗng, dẹt và không quay toàn vòng. a. Nam châm [12] được chế tạo từ thép hợp kim Fe-Ni-Al (alni) được dùng làm nam châm vĩnh cửu mạnh, kích thước bé. Giá trị rất cao: và cảm ứng từ dư . Ở đây ta sử dụng nam châm dạng lá phẳng, hình vòng cung, góc chắn cung là , chiều rộng bản l = 12 mm. Để tạo ra từ trường đều, ta ghép hai nam châm hoàn toàn như nhau, song song với nhau như mô tả trên hình 4-17. Chọn nam châm có từ cảm B = 0,8 T. b. Dây quấn phần ứng bằng đồng, tiết diện tròn, bọc sơn cách điện và được quấn sao cho các cạnh tác dụng của chúng nằm ở giữa hai nam châm và đi qua tâm các nam châm. Góc giữa các cạnh tác dụng của chúng là . Số vòng dây quấn là vòng, chiều dài mỗi vòng dây quấn như vậy sẽ là (hình 4-16): c. Góc quay lớn nhất của động cơ là , với tốc độ quay chọn là . Cường độ dòng điện cấp vào phần ứng của mỗi động cơ là , điện áp trên đầu cực mỗi động cơ là . Công suất điện mà mỗi động cơ nhận được sẽ là (W). d. Do các tổn hao cơ, tổn hao phụ là nhỏ có thể bỏ qua, vì vậy theo (4.28), ta có: (4.42) Lực điện từ tác dụng lên từng thanh dẫn của mỗi động cơ theo (4.22), bằng: Mômen điện từ tác dụng lên dây quấn phần ứng của mỗi động cơ theo (4.23), bằng: (4.43) Mặt khác, theo (4.25): (4.25’). Từ (4.42), (4.43), (4.25’) ta được: , hay: Trong đó: R, r- lần lượt là bán kính vành trong, vành ngoài của nam châm (R= 20 mm, r = 8 mm); - điện trở dây quấn phần ứng. Ta lại có: . Trong đó: - là điện trở suất của đồng; - chiều dài của dây quấn; - bán kính tiết diện dây dẫn. Ta rút ra: Vậy đường kính của dây quấn phải là . *). Để khử khe hở, tránh va đập khi động cơ đảo chiều quay và nâng cao độ ổn định cho hệ thống, ta dùng lò xo xoắn Ác-si-mét gắn vào trục quay của mỗi động cơ. Tuy nhiên, ở trạng thái tĩnh mômen quay , tác dụng lên trục quay được cân bằng với mômen phản tác dụng của lò xo: , với c là độ cứng của lò xo; nhưng khi đưa hệ thống ra khỏi vị trí cân bằng, dấu của thay đổi làm hệ thống chuyển động qua lại vị trí cân bằng, nên xuất hiện dao động riêng của hệ thống. Lợi dụng từ trường của nam châm, ta sẽ xác định độ cứng của lò xo cho phù hợp, khi đó dao động riêng của hệ thống sẽ được khử. Mô hình hóa hệ thống như hình 4-16*. Áp dụng định lý biến thiên mômen động lượng đối với trục quay, ta có [9]: (*) Trong đó: là mômen quán tính của hệ thống đối với trục quay. Do nhỏ, nên ta coi gần đúng ta nhận được phương trình vi phân dao động của hệ: (**) Hay: (3*) Đặt , phương trình (3*) trở thành: (4*) Theo lý thuyết phương trình vi phân tuyến tính, phương trình đặc trưng của (4*) là: (5*) Tùy theo quan hệ giữa và , có thể xảy ra các trường hợp sau: - lực cản nhỏ, (5*) có nghi