Nguyên lý làm việc động cơ không chổi than BLDC

By Unknown - Thứ Sáu, 19 tháng 6, 2015 - 4 Comments

Nguyên lý làm việc Brushless DC Motor

Để động cơ hoạt động tin cậy, hiệu quả và ít gây tiếng ồn thì xu hướng gần đây đã bắt đầu sử dụng động cơ DC không chổi than. Nó nhẹ hơn so với động cơ DC chổi than cùng công suất. Bài viết này cung cấp và giới thiệu minh họa cách làm việc của động cơ BLDC.

Video mô phỏng chi tiết nguyên lý hoạt động BLDC.

1. Giới thiệu động cơ BLDC

Động cơ DC không chổi than - BLDC (Brushles Dc motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên Rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng Stator.

Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của Stator. Các thanh nam châm được dán chắc chắn vào thân Rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là đông cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí Rotor để cho động cơ hoạt động. Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí Rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây Stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí Rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ.

1.1 Ưu điểm

Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao. Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên Rotor hiệu suất động cơ cao hơn.

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên Rotor.

Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

+ Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.

+ Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.

+ Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).

+ Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).

+ Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không.

+ Vận hành ở tốc độ cao.

+ Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.

+ Hiệu suất cao.

+ Kết cấu gọn.

1.2 Nhược điểm:

Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhưng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giá thành nam châm có thể giảm.

Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị trí Rotor. Điều này làm tăng giá thành đầu tư khi sử dụng động cơ BLDC. Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và Mômen động cơ dễ dàng, chính xác hơn.

Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhưng khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Nhưng với loại nam châm hiếm như hiện nay thì nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể.

Tại sao lại sử dụng động cơ BLDC

Động cơ DC thông thường chổi than mòn theo thời gian và ngoài ra nó có thể gây ra tia lửa điện. Chính vì vậy để tăng tuổi thọ và độ bên đối với động cơ DC bắt buộc phải kiểm tra và bảo trì thường xuyên. Điều này gây khó khăn cho người sử dụng.

Hình 1: Hiện tượng đánh tia lửa điện giữa cổ góp và chổi than

Do đó, động cơ DC chổi than thường không được sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi độ bền cũng như độ tin cậy cao. Chính lý do này và cùng lý do khác được liệt kê trong phần giới thiệu, động cơ BLDC được sử dụng trong hầu hết các thiết bị hiện đại. Hiệu suất của một động cơ BLDC thường khoảng 85-90%, trong khi động cơ chổi than thông thường chỉ đạt 75-80% hiệu suất. Động cơ BLDC cũng thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao (10.000 rpm hoặc cao hơn). Các động cơ BLDC cũng được kiểm soát tốc độ tốt hơn.

Các hoạt động cơ bản:

Các Rotor và Stator của động cơ BLDC được hiển thị trong Hình 2. Rõ ràng phần quay của một động cơ BLDC là một nam châm vĩnh cửu.

Hình 2 : Các Rotor của một BLDC là một nam châm vĩnh cửu;

stator được sắp xếp bởi các cuộn dây

Stator gồm các cuộn dây được sắp đặt như hình minh họa;

Nó gồm ba cuộn A, B và C được móc nối như hình 3.

Hình 3 : Việc bố trí cuộn dây trong một BLDC được hiển thị ở đây,

với màu sắc khác nhau cho các cuộn dây khác nhau

Trong 3 cuộn dây này, sẽ minh họa một cuộn dây ở hình 4 cho đơn giản và dễ hiểu. Bằng cách áp dụng điện DC cho các cuộn dây, cuộn dây sẽ tiếp sinh lực và trở thành một nam châm điện.

Hình 4 : Các cuộn dây được cấp điện từ một nguồn điện

DC trở thành một nam châm điện

Cách hoạt động của một động cơ BLDC được dựa trên sự tương tác lực giữa các nam châm vĩnh cửu và nam châm điện.Trong điều kiện này, khi cuộn dây A nạp năng lượng, các cực trái dấu giữa Rotor và Stator được hút vào nhau (Lực hút được thể hiện trong mũi tên màu xanh lá cây). Kết quả là các cực Rotor di chuyển gần với Stator.

Hình 5: Các Rotor di chuyển về phía cuộn dây do lực hút giữa hai nam châm trái dấu.

Khi Rotor gần tới cuộn dây, cuộn dây B nạp đầy năng lượng. Khi rotor gần tới cuộn dây B, C cuộn dây được tràn đầy năng lượng. Sau đó, cuộn dây A là năng lượng với các cực ngược lại (So sánh phần cuối cùng của hình 6 với hình 5).

Hình 6 :Trong một BLDC, như các rotor gần tới cuộn dây có điện, các cuộn dây kế tiếp lại hoạt động; điều này sẽ làm cho các cánh quạt xoay liên tục

Quá trình này được lặp đi lặp lại, và rotor tiếp tục xoay. Dòng điện DC yêu cầu trong mỗi cuộn dây được thể hiện trong đồ thị dưới đây.

Hình 7 : Các DC điện áp cần thiết trong mỗi cuộn dây được thể hiện trong

đồ thị dưới đây

Một ví dụ tương và có chút hài hước cho bạn suy ngẫm đó là BLDC hoạt động tương tự như câu chuyện của con lừa và củ cà rốt miêu tả như trong hình 8. Con lừa cố gắng hết sức để đạt được củ cà rốt, nhưng cà rốt liên tục di chuyển ra khỏi tầm tay của nó.

Hình 8: Cũng giống như con lừa chạy sau củ cà rốt,

trong một BLDC rotor chạy sau từ thông của Stator

Nâng cao hiệu suất động cơ BLDC

Mặc dù động cơ này hoạt động có nhiều ưu điểm như vậy nhưng nó cũng có một số hạn chế. Bạn có thể nhận thấy rằng, tại bất kỳ thời điểm nào chỉ có duy nhất một cuộn dây nạp đầy năng lượng trong khi đó 2 cuộn dây còn lại giảm đáng kể sản lượng điện của động cơ. Dưới đây là mẹo để khắc phục vấn đề này. Khi Rotor đang ở vị trí cùng với các cuộn dây mà hai bên Rotor là cac cuộn dây. Lúc này ta có thể tiếp sinh lực cho các cuộn dây phía sau bằng cách cho nó nạp một năng lượng như vậy, nó sẽ đẩy các cánh quạt.

Hình 9 : Tiếp thêm năng lượng cho một cuộn dây trong động cơ.
Điều này sẽ tạo thêm một lực đẩy ngoài lực kéo.

Đối với này ngay lập tức, một cùng cực hiện nay là thông qua các cuộn dây thứ hai. Các hiệu ứng kết hợp sản xuất mô-men xoắn và công suất đầu ra nhiều hơn từ các động cơ. Các lực lượng kết hợp cũng làm cho chắc chắn rằng một BLDC có một, tính chất mô men không đổi đẹp. Tính chất mô-men xoắn như vậy là khó khăn để đạt được trong bất kỳ loại hình khác của động cơ.

Hình 10: Các BLDC có tính chất mô men không đổi như hình vẽ.

Các hình thức hiện tại cần thiết cho việc xoay 360 độ hoàn chỉnh được thể hiện trong đồ thị dưới đây.

Hình 11: Giản đồ điện áp cho mỗi cuộn dây

Với cấu hình này 2 cuộn dây cần được nạp năng lượng một cách riêng biệt, nhưng bằng cách làm cho một sự thay đổi nhỏ cho các cuộn dây stator, chúng ta có thể đơn giản hóa quá trình này. Chỉ cần kết nối một đầu tự do của các cuộn dây với nhau, như thể hiện trong Hình.10.

HÌnh.12 Kết nối một đầu tự do của các cuộn dây với nhau làm cho việc điều chỉnh điện áp
BLDC đơn giản hơn nhiều

Khi quyền lực được áp dụng giữa các cuộn dây A và B, hãy lưu ý những dòng điện qua các cuộn dây. Bằng cách so sánh phần thứ hai của Hình.13 với Hình 9, nó là rõ ràng rằng, dòng chảy hiện nay là giống như trạng thái năng lượng một cách riêng biệt.

Hình.13 này kết nối với cuộn dây sản xuất chính xác cùng một dòng chảy hiện tại của trạng thái năng lượng riêng

Sử dụng một ECU

Đó là cách một BLDC làm việc. Tuy nhiên, chắc chắn rằng bạn sẽ có những thắc mắc như: Làm thế nào để tôi biết được cuộn dây Stator được tiếp thêm năng lượng? Làm thế nào để biết khi nào thì tiếp năng lượng cho nó, chính vì vậy mà động cơ BLDC có vòng quay liên tục.?

Trong một BLDC chúng tôi sử dụng một đơn vị điều khiển điện tử (ECU) cho mục đích này. Một cảm biến xác định vị trí của Rotor, và dựa trên các thông tin này để quyết định điều khiển thêm năng lượng cho mỗi cuộn dây.

Hình.14 ECU xác định cuộn dây để tiếp năng lượng.

Các con số trên sơ đồ trên cho thấy, cách ECU điều khiển nhiệm vụ cung cấp năng lượng của cuộn dây. Nhiệm vụ này được gọi là mạch đảo. Thông thường, một bộ cảm biến hiệu ứng Hall được sử dụng cho mục đích này. Các cảm biến hiệu ứng Hall được gắn ở mặt sau của động cơ như trong Hình.15.

Hình 15: Cảm biến Hall được sử dụng để xác định vị trí của Rotor

Các thiết kế BLDC, chúng tôi đã thảo luận cho đến nay được biết đến như loại out-runner. Ở đây, Rotor quay quanh Stator. In-runner thiết kế BLDC cũng có sẵn trên thị trường.

Hình 16: Trong một Out-Runner BLDC, Rotor quay quanh Stator

Out-Runner thiết kế cũng có mặt lợi thế nhất định hơn thiết kế In-Runner. Ở tốc độ cao hơn các Rotor có tốc độ tăng nhẹ do lực ly tâm. Đối với In-Runner cần phải thiết kế sao cho khoảng cách hợp lý giữa Stator và Rotor để tránh va chạm, nhiệt tỏa ra cao hơn cũng như tăng rò rỉ từ thông và làm giảm hiệu quả làm việc của động cơ. Tuy nhiên với thiết kế Out-Runner không có nhược điểm như vậy, Rotor bên ngoài nên tùy biến được khoảng cách.

Tin mới nhất

tudonghoa68.com

Khoá Chuột Phải

Nguyên lý làm việc động cơ không chổi than BLDC

Share This:

Post Tags:

Blog Tự Động Hóa 68

Social Links:

4 nhận xét to ''Nguyên lý làm việc động cơ không chổi than BLDC"