Góc kỹ thuật
 
Động cơ điện một chiều không cổ góp BLDC

Hình: Một mẫu động cơ BLDC
1. Giới thiệu chung
Động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng (máy in, scan…). Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ biến đổi công suất lớn, những ưu điểm của hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn so với động cơ một chiều truyền thống cũng như động cơ không đồng bộ, đặc biệt là trên các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin, hay năng lượng mặt trời. Trong đó không thể không nhắc đến là trong các hệ truyền động kéo trên xe điện với công suất từ vài chục đến 100kW. Trong công nghiệp, chúng còn được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW.
 
Mặc dù được gọi là động cơ một chiều nhưng thực chất động cơ BLDC thuộc loại động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu. Nhưng có một lý do mang tính lịch sử của tên gọi “động cơ một chiều không cổ góp” là nó được tạo ra nhằm loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một chiều.
Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứng sử dụng chổi than và cổ góp thì động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử. Điều này loại bỏ được các nhược điểm của cơ cấu chuyển mạch chổi than – cổ góp cơ khí, đó là hiện tượng đánh lửa và mài mòn. Do đó, động cơ BLDC hoạt động tin cậy hơn động cơ một chiều truyền thống và ít phải bảo dưỡng. Do có các cuộn dây phần ứng đặt trên Stator nên dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần. Vì vậy động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn động cơ một chiều truyền thống. 
Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm so với động cơ một chiều truyền thống và động cơ không đồng bộ, đó là:
-         Đặc tính tốc độ/mômen tuyến tính
-         Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ
-         Hiệu suất cao do sử dụng rôto nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao đồng trên rôto
-         Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí
-         Không gây nhiễu khi hoạt động
-         Dải tốc độ rộng
-         Mật độ công suất lớn

2. Cấu trúc điển hình của động cơ BLDC
Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên rôto và phần ứng trên stato.

Như đã giới thiệu, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stato (gọi là các cuộn dây stato) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên rôto theo nhiều cách kết cấu khác nhau 

Hình: Các bộ phận chính của một động cơ BLDC điển hình
Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stato ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stato. Trong đó loại động cơ ba pha được sử dụng phổ biến hơn cả.
Trong động cơ một chiều truyền thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây phần ứng được xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố trí phù hợp giữa các cặp cực trên stato và cơ cấu chổi than - cổ góp. Động cơ BLDC không có cơ cấu chổi than - cổ góp nên cần phải có các phần tử và phương pháp để xác định vị trí của rôto nhằm đưa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp điện cho các cuộn dây pha phù hợp.
+ Kết cấu rôto của động cơ BLDC
Rôto của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau. Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi rôto:
-         Rôto có nam châm gắn trên bề mặt lõi:
Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rôto. Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp.
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-3.jpg
Hình:  Rôto có nam châm gắn trên bề mặt 
-         Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi:
Trong lõi rôto có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao.
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-4.jpg
Hình: Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi
 
Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rôto tạo ra từ trường hướng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto.
Vật liệu làm nam châm thông thường là ferit, tuy giá thành rẻ nhưng mật độ từ trường thấp. Các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường cao hơn nhiều, và cho phép tạo ra các nam châm có mật độ từ trường cao trong khi kích thước và trọng lượng thấp. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ công suất lớn. Nam châm được sản xuất từ hợp kim hiếm có giá thành cao và thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng cao cấp.
+ Kết cấu stato của động cơ BLDC
Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ không đồng bộ.
Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato.
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-5.jpg
Hình: Cách phân bố các cuộn dây trên stato
Với sự phân bố từ trường và cách phân bố các cuộn dây stato như vậy, động cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra mômen lớn hơn, công nghệ chế tạo đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhưng đập mạch mômen cũng lớn hơn động cơ có sức điện động hình sin.
+ Cảm biến vị trí rôto
Các cảm biến vị trí rôto được gắn trên stato có nhiệm vụ cung cấp thông tin về vị trí của rôto cho mạch điều khiển cấp điện cho các cuộn dây stato. Các cảm biến này sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau.
3. Sức điện động cảm ứng
Hình vẽ dưới đây minh hoạ kết cấu đơn giản của một động cơ BLDC với rôto có hai cực từ:

Hình: Minh hoạ kết cấu động cơ BLDC
Như đã phân tích ở phần kết cấu động cơ BLDC, ta thấy rằng có sự phân bố đều các vòng dây ở mặt trong stato cũng như sự phân bố đều từ trường rôto dọc theo khe hở không khí giữa stato và rôto. Có thể giả sử thêm rằng sự phân bố từ trường tại trục tiếp giáp giữa hai cực từ (trục Δ1Δ2) cũng đều.
Phân tích sự hình thành sức điện động cảm ứng trong cuộn dây pha A khi rôto quay như sau:
-         Khi góc θr giữa trục từ rôto và trục từ cuộn dây pha A có giá trị trong khoảng từ π/6 đến 5π/6.
Trong phạm vi này, khi rôto quay theo chiều mũi tên trên hình vẽ thì toàn bộ các thanh dẫn của cuộn dây pha A đều chuyển động vuông góc với một trừ trường đều. Do đó trong mỗi thanh dẫn cảm ứng một sức điện động xác định theo biểu thức:
E0=Blv=Blrωm (2.1)
Trong đó:
B: là mật độ từ trường do các nam châm rôto tạo ra
l: chiều dài của mỗi thanh dẫn
v: vận tốc dài của thanh dẫn khi cắt qua từ trường
ωm: vận tốc góc của rôto
r: bán kính rôto
Nếu cuộn dây pha có N vòng dây, tức là có 2N thanh dẫn cắt qua từ trường, thì sức điện động tổng trong cuộn dây là:
E=2NBlrωm
Vậy khi tốc độ quay không đổi thì sức điện động cảm ứng là hằng số.
-         Khi góc θr có giá trị trong khoảng từ 5π/6 đến 7π/6.
Trong phạm vi này, các thanh dẫn sẽ chuyển động vuông góc với một từ trường có mật độ đều nhưng có các vectơ cảm ứng từ ngược chiều nhau. Do đó sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn cũng ngược chiều và làm giảm dần sau đó đảo chiều sức điện động tổng. Tại vị trí θr bằng 7π/6 sẽ kết thúc một bán kỳ chuyển động của rôto. Bán kỳ sau lặp lại tương tự nhưng với sức điện động đã đổi dấu. Phân tích tương tự cho các pha còn lại ta xây dựng được các đường cong sức điện động pha theo vị trí rôto như sau
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-7.jpg
Hình: Sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây pha
Những phân tích trên áp dụng với động cơ mà rôto có một cặp cực nhưng hoàn toàn tương tự cho loại có nhiều cặp cực. Chỉ có một điều lưu ý là khi đó một chu kỳ cơ (một vòng quay của rôto) sẽ gồm có p/2 chu kỳ điện (p là số cực từ trên rôto).
Nhận thấy rằng sức điện động cảm ứng trên các pha có dạng hình thang với khoảng giá trị hằng số có độ rộng là 1200 điện.
4. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.
Mômen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm rôto tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra. Xu hướng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau. Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vuông góc với nhau.
Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rôto quay theo.
Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của rôto.
Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do quá trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất.
Ta có mômen được xác định bằng biểu thức:
Te= (eaia+ebib+ecic)/ωm
Trong đó:
ea,eb,ecsức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V)
ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A)
ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s)
Để đạt được yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn hao trên stato
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-8.jpg
Hình: Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện
Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp sức điện động cảm ứng pha được gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến và sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau.
Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rôto như mô tả ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây còn có thể thực hiện được bằng việc xác định vị trí của rôto nhờ các cảm biến vị trí.
Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall). Hiệu ứng Hall được E.H.Hall tìm ra năm 1879 và được mô tả như sau: khi một dây dẫn điện đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tác động một lực lên các điện tích đang chuyển động trong dây điện và có khuynh hướng đẩy chúng sang một bên của dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng tấm mỏng. Sự tích tụ các điện tích ở một bên dây dẫn làm xuất hiện điện áp giữa hai mặt của dây dẫn. Điện áp này có độ lớn tỷ lệ với cường độ từ trường và cường độ dòng điện qua dây dẫn 
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-9.jpg
Hình 2.9. Mô hình phần tử cảm biến Hall
Ur= (KhIB) /d
Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stato. Khi các cực của nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha stato.
Thông thường có hai cách bố trí ba cảm biến Hall trên stato là bố trí lệch nhau 600 hoặc 1200 trong không gian. Mỗi cách bố trí đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rôto quay.
http://www.perac.vn/images/otodien/baiviet/bldc-motor-10.jpg
Hình: Trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện
Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà một trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic. Cũng từ hình trên thấy rằng trong một chu kỳ điện có sáu sự chuyển mức logic của ba cảm biến Hall. Do đó trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch sáu bước.
Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao. Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến những sai số khi xác định vị trí rôto. Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm các nam châm phụ trên rôto để phục vụ cho việc xác định vị trí rôto. Các nam châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được gắn trên phần trục rôto nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh. Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống. 
 
Nguồn: Internet
 
 

XEM CÁC TIN LIÊN QUAN
Nước đá sạch và nước đá bẩn
Sự cố áp suất nén của máy lạnh
Khởi động mềm - Giải pháp đem lại nhiều lợi ích
Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời
 
 
HỖ TRỢ TRỰC TUYẾN
096.488.6852
Email: chartering.hn@gmail.com
Yahoo: dvg1982
Skype:
 
Chương trình mới
 
Video
 
Tin mới
 
 
 
 
CÔNG TY TNHH ELECTRONICS SOLUTION
Địa chỉ: Số 7A, Ngõ 14 Phố Thạch Cầu, Phường Long Biên, Quận Long Biên, Tp. Hà Nội.
Hotline: 096.488.6852 - Email: chartering.hn@gmail.com
Website: electronics-solution.vn
Facebook: https://www.facebook.com/maylamdavien0964886852
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thiết kế, chế tạo và lắp đặt:
Máy làm đá viên tinh khiết, Thiết bị bơm nhiệt - Heat Pump, Thang tải hàng, thang tải thực phẩm 
  • Online : 5
  • Tổng truy cập: 67246