TIỂU LUẬN Đề tài ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI THAN

Một vài trong số đó là:  Tốc độ tốt hơn so với đặc tính mô-men xoắn  Phản hồi động cao  Hiệu suất cao  Tuổi thọ vận hành dài  Vận hành không ồn ào  Phạm vi tốc độ cao hơn Ngoài ra,

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MÔN HỌC: MÁY ĐIỆN

-o0o -BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài:

ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI THAN

GV: MAI BÁ LỘC

SVTH: Lớp DT01_Nhóm 07

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2024

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Mục tiêu, phạm vị nghiên cứu 3

1.3 Hướng tiếp cận 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 5

2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC không chổi than 5

CHƯƠNG 3: SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC……

10 3.1 So sánh động cơ DC không chổi than với động cơ không chổi than………….10

CHƯƠNG 4 TRÌNH TỰ GIAO TIẾP………12

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 14

5.1 Tổng kết 14

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Động cơ DC không chổi than (BLDC) là một trong những loại động cơ phổ biến hiện nay Động cơ BLDC được sử dụng trong các ngành công nghiệp như thiết bị gia dụng,

Ô tô, hàng không vũ trụ, y tế, và thiết bị tự động hóa công nghiệp Đúng như tên gọi, động cơ BLDC không sử dụng chổi than để chuyển mạch; thay vào đó, chúng được chuyển mạch điện tử

Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng Một vài trong số đó là:

 Tốc độ tốt hơn so với đặc tính mô-men xoắn

 Phản hồi động cao

 Hiệu suất cao

 Tuổi thọ vận hành dài

 Vận hành không ồn ào

 Phạm vi tốc độ cao hơn

Ngoài ra, tỷ lệ mô-men xoắn được cung cấp cho kích thước của động cơ cao hơn, khiến nó trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà không gian và trọng lượng là những yếu tố quan trọng Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tính và ứng dụng điển hình của động cơ BLDC

1.2 Mục tiêu, phạm vị nghiên cứu

Mục tiêu của bài tiểu luận là cung cấp cái nhìn tổng quan về động cơ tuyến tính

Đối với mục tiêu nêu trên, phạm vi của bài tiểu luận bao gồm:

 Định nghĩa động cơ tuyến tính là gì ?

 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của động cơ tuyến tính

 Phân biệt các loại ĐCTT phổ biến

1.3 Hướng tiếp cận

Bằng cách tìm kiếm, thu thập và nghiên cứu các nguồn dữ liệu mở về khoa học trên internet như:

 Google scholar

 StudySmarter

 etel.ch

Ngoài ra bài tiểu luận còn nghiên cứu thông qua các bài báo khoa học nghiên cứu về động cơ tuyến tính cũng như các cataloge được các nhà sản xuất ĐCTT phát hành

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của động cơ DC không chổi than

2.1.1 Cấu tạo Stator của động cơ DC không chổi than

Động cơ BLDC là một loại động cơ đồng bộ Điều này có nghĩa là từ trường do stato tạo ra và từ trường do rôto tạo ra quay cùng tần số Động cơ BLDC không gặp hiện tượng “trượt” thường thấy ở động cơ cảm ứng Động cơ BLDC có các cấu hình một pha, 2 pha và 3 pha Tương ứng với loại của nó, stato có số vòng dây bằng nhau Trong số này, động cơ 3 pha là phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi Bài tiểu luận này tập trung chủ yếu vào động cơ 3 pha

Hình 2.1 Stator của động cơ BLDC

Stator của động cơ BLDC bao gồm các lớp thép xếp chồng lên nhau với các cuộn dây được đặt trong các khe được cắt theo trục dọc theo khung bên trong (như trong Hình 2.1) Nhìn chung, stator giống với động cơ cảm ứng; tuy nhiên, các cuộn dây được phân phối theo một cách khác Hầu hết các động cơ BLDC đều có ba cuộn dây stator được nối theo kiểu hình sao Mỗi cuộn dây này được cấu tạo từ nhiều cuộn dây nối với nhau để tạo thành một cuộn dây lớn Một hoặc nhiều cuộn dây được đặt trong các khe và chúng được kết nối với nhau để tạo thành một cuộn dây Mỗi cuộn dây này được phân bố khắp khung ngoài stator để tạo thành số cực chẵn

Có hai loại biến thể cuộn dây stator: Động cơ hình thang và hình sin

Sự khác biệt này được thực hiện trên cơ sở kết nối các cuộn dây trong cuộn dây stato

để tạo ra các loại Lực điện động ngược (EMF) khác nhau Tham khảo phần “EMF trở lại là gì?” phần để biết thêm thông tin Như tên gọi của chúng đã chỉ ra, động cơ hình thang tạo ra EMF phía sau theo kiểu hình thang và EMF phía sau của động cơ hình sin

có dạng hình sin (như trong Hình 2.2 và Hình 2.3)

Hình 2.2 EMF phía sau theo kiểu hình thang

Hình 2.3 EMF phía sau của động cơ hình sin

Ngoài EMF phía sau, dòng điện pha cũng có các biến thể hình thang và hình sin theo từng loại động cơ tương ứng Điều này làm cho mô-men xoắn đầu ra của động cơ hình sin mượt mà hơn so với động cơ hình thang Tuy nhiên, điều này đi kèm với một chi phí bổ sung, vì động cơ hình sin cần thêm các kết nối cuộn dây do sự phân bổ cuộn

dây ở khung stator, do đó làm tăng lượng đồng tiêu thụ của cuộn dây stator Tùy thuộc vào khả năng cung cấp điện điều khiển, có thể chọn động cơ có định mức điện áp chính xác của stator Động cơ có điện áp định mức 48 V hoặc thấp hơn được sử dụng trong ô tô, robot, chuyển động của cánh tay nhỏ, v.v Động cơ có điện áp 100 V hoặc cao hơn được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, tự động hóa và trong các ứng dụng công nghiệp

2.1.2 Cấu tạo Rotor của động cơ DC không chổi than

Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cửu và có thể thay đổi từ hai đến tám cặp cực với các cực Bắc (N) và Nam (S) xen kẽ

Dựa vào mật độ từ trường yêu cầu trong rôto mà chọn vật liệu từ tính thích hợp để chế tạo rôto Nam châm Ferrite thường được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Khi công nghệ tiến bộ, nam châm hợp kim đất hiếm ngày càng phổ biến Nam châm ferrite

rẻ hơn nhưng chúng có nhược điểm là mật độ từ thông thấp trong một thể tích nhất định Ngược lại, vật liệu hợp kim có mật độ từ tính cao trên mỗi thể tích và cho phép rôto nén thêm với cùng một mô-men xoắn Ngoài ra, các nam châm hợp kim này cải thiện tỷ lệ kích thước trên trọng lượng và tạo ra mô-men xoắn cao hơn cho động cơ cùng kích thước sử dụng nam châm ferrite Neodymium (Nd), Samarium Cobalt (SmCo) và hợp kim của Neodymium, Ferrite và Boron (NdFeB) là một số ví dụ về nam châm hợp kim đất hiếm Các nghiên cứu đang được tiến hành liên tục để cải thiện mật độ từ thông để nén rotor hơn nữa Hình 2.4 cho thấy các mặt cắt ngang của các cách sắp xếp nam châm khác nhau trong rotor của động cơ DC

Hình 2.4 Mặt cắt ngang của một số cách sắp xếp nam châm khác nhau trong

rotor của động cơ DC 2.1.3 Cảm biến Hall

Không giống như động cơ DC có chổi than, chuyển mạch của động cơ BLDC được điều khiển bằng điện tử Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator phải được cấp

điện theo trình tự Điều quan trọng là phải biết vị trí rotor để hiểu cuộn dây nào sẽ được cấp điện theo trình tự cấp điện Vị trí rotor được xác định bằng cảm biến hiệu ứng Hall được gắn vào stator Hầu hết các động cơ BLDC đều có ba cảm biến Hall được gắn vào stator ở đầu không dẫn động của động cơ Bất cứ khi nào các cực từ của rôto đi qua gần cảm biến Hall, chúng sẽ đưa ra tín hiệu cao hoặc thấp, cho biết cực N hoặc S đang đi qua gần các cảm biến Dựa trên sự kết hợp của ba tín hiệu cảm biến Hall này, có thể xác định được trình tự giao hoán chính xác của rotor

Lý thuyết Hiệu ứng Hall: Nếu một dây dẫn mang dòng điện được giữ trong từ trường thì từ trường tác dụng một lực ngang lên các hạt mang điện chuyển động có xu hướng đẩy chúng về một phía của dây dẫn Điều này thể hiện rõ nhất ở một dây dẫn phẳng mỏng Sự tích tụ điện tích ở hai bên dây dẫn sẽ cân bằng ảnh hưởng từ tính này, tạo ra một điện áp có thể đo được giữa hai bên dây dẫn Sự hiện diện của điện áp ngang có thể đo được này được gọi là hiệu ứng Hall theo tên E H Hall, người đã phát hiện ra

nó vào năm 1879

Hình 2.5 Mặt cắt ngang của động cơ BLDC

Hình 2.5 cho thấy mặt cắt ngang của động cơ BLDC với rôto có nam châm vĩnh cửu

N và S xen kẽ Cảm biến Hall được gắn vào phần đứng yên của động cơ Việc gắn các cảm biến Hall vào stator là một quá trình phức tạp vì bất kỳ sự sai lệch nào trong các cảm biến Hall này đối với các nam châm rotor sẽ tạo ra lỗi trong việc xác định vị trí rotor Để đơn giản hóa quá trình lắp cảm biến Hall vào stator, một số động cơ có thể

có nam châm cảm biến Hall trên rotor ngoài các nam châm rotor chính Đây là phiên bản thu nhỏ của rotor, bất cứ khi nào rotor quay, nam châm cảm biến Hall đều cho tác dụng tương tự như nam châm chính Cảm biến Hall thường được gắn trên bo mạch PC

và cố định vào nắp vỏ ở đầu không dẫn động Điều này cho phép người dùng điều chỉnh việc lắp ráp hoàn chỉnh các cảm biến Hall, căn chỉnh với các nam châm rotor để đạt được hiệu suất tốt nhất Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có hai phiên bản

đầu ra Các cảm biến Hall có thể lệch pha nhau 60° hoặc 120° Dựa trên điều này, nhà sản xuất động cơ xác định trình tự chuyển mạch cần tuân thủ khi điều khiển động cơ Cảm biến Hall cần có nguồn điện Điện áp có thể dao động từ 4 V đến 24 V Dòng điện yêu cầu có thể dao động từ 5 mA đến 15 mA Trong khi thiết kế bộ điều khiển phải tham khảo thông số kỹ thuật động cơ tương ứng để biết chính xác mức điện áp và dòng điện của cảm biến Hall được sử dụng Đầu ra của cảm biến Hall thường là loại cực thu hở Có thể cần một điện trở kéo lên ở phía bộ điều khiển Xem phần “Trình tự giao hoán” để biết ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall và biết thêm chi tiết về trình tự giao hoán

2.1.4 Nguyên lý hoạt động

Mỗi chuỗi chuyển mạch có một trong các cuộn dây được cấp điện dương (dòng điện

đi vào cuộn dây), cuộn dây thứ hai là âm (dòng điện thoát ra khỏi cuộn dây) và cuộn thứ ba ở trạng thái không mang điện Mô-men xoắn được tạo ra do sự tương tác giữa

từ trường do cuộn dây stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu Lý tưởng nhất là mô-men xoắn cực đại xảy ra khi hai từ trường này vuông góc với nhau 90° và giảm dần khi các

từ trường chuyển động cùng nhau Để giữ cho động cơ hoạt động, từ trường do cuộn dây tạo ra phải thay đổi vị trí, khi rôto chuyển động để bắt kịp từ trường của stato Cái được gọi là “chuyển mạch sáu bước” xác định trình tự cấp điện cho cuộn dây Xem phần “Chuỗi giao hoán” để biết thông tin chi tiết và ví dụ về giao hoán sáu bước

CHƯƠNG 3: SO SÁNH DC KHÔNG CHỔI THAN VỚI CÁC ĐỘNG CƠ KHÁC

So với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng, động cơ BLDC có nhiều ưu điểm

và ít nhược điểm Động cơ không chổi than ít cần bảo trì hơn nên có tuổi thọ cao hơn

so với động cơ DC có chổi than Động cơ BLDC tạo ra nhiều công suất đầu ra trên mỗi kích thước khung hơn so với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng Vì rôto được làm bằng nam châm vĩnh cửu nên quán tính của rôto nhỏ hơn so với các loại động cơ khác Điều này cải thiện đặc tính tăng tốc và giảm tốc, rút ngắn thời gian vận hành chu kỳ Đặc tính tốc độ/mô-men xoắn tuyến tính của chúng tạo ra khả năng điều chỉnh tốc độ có thể dự đoán được Với động cơ không chổi than, việc kiểm tra bằng chổi được loại bỏ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các khu vực và ứng dụng có khả năng tiếp cận hạn chế, nơi khó bảo trì Động cơ BLDC hoạt động êm hơn nhiều so với động cơ DC chổi than, giúp giảm nhiễu điện từ (EMI) Các mô hình điện áp thấp lý tưởng cho hoạt động của pin, thiết bị cầm tay hoặc ứng dụng y tế

Tính năng DC không chổi than DC có chổi than

Chuyển mạch Chuyển mạch điện tử dựa

trên cảm biến vị trí Hall Chuyển mạch thông qua tiếpxúc cơ khí

Bảo trì Ít cần bảo trì do không có

chi tiết bào mòn cơ khí Cần bảo trì định kỳ chổi than

Tuổi thọ Dài Ngắn

Đặc tuyến tốc

độ/moment xoắn Cho phép vận hành ở mọiTuyến tính

tốc độ với tải định mức

Tương đối tuyến tính

Ở tốc độ cao hơn, ma sát của bàn chải tăng lên, do đó làm giảm mô-men xoắn hữu ích

Công suất đầu ra Cao, hiệu suất đạt

85-90% Trung bình, hiệu suất đạt 65-70%

Quán tính rotor Thấp do rotor nam châm

vĩnh cửu Quán tính rotor cao hơn làmhạn chế các đặc tính động

Phạm vi tốc độ cao hơn – Không có giới

hạn cơ học nào được áp đặt bởi chổi than/bổ góp

Thấp hơn do Hạn chế cơ học

của chổi

Tiếng ồn Hồ quang trong chổi sẽ tạo ra

tiếng ồn gây ra nhiễu điện từ (EMI) ở các thiết bị gần đó

Chí phí Cao do Rotor nam châm

vĩnh cữu và cần cảm biến

Thấp hơn

Điều khiển Phức tạp và đắt đỏ Đơn giản và ít đắt đỏ hơn

Yêu cầu điều khiển Yêu cầu một bộ điều

khiển để giữ cho động cơ hoạt động và một bộ điều khiển tương tự có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ

Không cần bộ điều khiển cho tốc độ cố định; chỉ cần một

bộ điều khiển nếu muốn thay

đổi tốc độ

CHƯƠNG 4: TRÌNH TỰ GIAO TIẾP

Trên đây ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall đối với EMF ngược và dòng pha Hình 8 cho thấy trình tự chuyển đổi cần được tuân theo đối với các cảm biến Hall Các số thứ tự trên Hình 7 tương ứng với các số cho trong Hình 8 Cứ sau 60 độ quay điện, một trong

các cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái Vì điều này, phải mất sáu bước để hoàn thành một chu trình điện Đồng bộ, cứ sau 60 độ điện, việc chuyển đổi dòng pha phải được cập nhật Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể không tương ứng với một vòng quay cơ học hoàn chỉnh của rôto Số chu kỳ điện được lặp lại để hoàn thành một vòng quay cơ học được xác định bởi các cặp cực của rôto Đối với mỗi cặp cực rôto, một chu kỳ điện được hoàn thành Vì vậy, số chu kỳ/vòng quay điện bằng các cặp cực rôto Hình

9 thể hiện sơ đồ khối của bộ điều khiển dùng để điều khiển động cơ BLDC Q0 đến Q5 là các công tắc nguồn được điều khiển bởi vi điều khiển PIC18FXX31 Dựa trên xếp hạng điện áp và dòng điện của động cơ, các công tắc này có thể là MOSFET hoặc IGBT hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực đơn giản Bảng 3 và Bảng 4 cho thấy trình tự bật các công tắc nguồn này dựa trên đầu vào cảm biến Hall, A, B và C Bảng 3 dành cho động cơ quay theo chiều kim đồng hồ và Bảng 4 dành cho động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ Đây là một ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall có độ lệch pha 60 độ so với nhau Như chúng ta đã thảo luận trước đây trong phần “Cảm biến Hall”, các cảm biến Hall có thể lệch pha với nhau một góc 60° hoặc 120° Khi tạo ra bộ điều khiển cho một động cơ cụ thể, cần tuân theo trình tự do nhà sản xuất động cơ xác định Tham khảo Hình 9, nếu các tín hiệu được đánh dấu bằng tín hiệu điều khiển tín hiệu điều khiển xung điện xung quanh trục (PWMx) được BẬT hoặc TẮT theo trình tự, động

cơ sẽ chạy ở tốc độ định mức Điều này giả định rằng điện áp bus DC bằng điện áp định mức của động cơ, cộng với bất kỳ tổn thất nào trên các công tắc Để thay đổi tốc

độ, các tín hiệu này phải được Điều chế độ rộng xung (PWM) ở tần số cao hơn nhiều

so với tần số động cơ Theo nguyên tắc chung, tần sốPWM phải gấp ít nhất 10 lần tần

số tối đa của động cơ Khi chu kỳ làm việc của xung điều khiển xung điện thay đổi trong các chuỗi, điện áp trung bình cung cấp cho stato sẽ giảm, do đó làm giảm tốc độ Một ưu điểm khác của việc cóPWM là nếu điện áp bus DC cao hơn nhiều so với điện

áp định mức của động cơ thì động cơ có thể được điều khiển bằng cách giới hạn tỷ lệ phần trăm của chu kỳ làm việc của động cơ tương ứng với điện áp định mức của động

cơ Điều này tăng thêm tính linh hoạt cho bộ điều khiển để kết nối các động cơ có điện

áp định mức khác nhau và khớp với đầu ra điện áp trung bình của bộ điều khiển với điện áp định mức của động cơ bằng cách điều khiển chu kỳ hoạt động của động cơ

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để kiểm soát Nếu tín hiệuPWM bị giới hạn trong

bộ vi điều khiển, thì các công tắc phía trên có thể được bật trong toàn bộ thời gian trong trình tự tương ứng và công tắc phía dưới tương ứng có thể được điều khiển theo chu kỳ nhiệm vụ cần thiết trênPWM Chiết áp, được kết nối với kênh chuyển đổi tương tự sang số trong Hình 9, dùng để thiết lập tham chiếu tốc độ Dựa trên điện áp đầu vào này, cần tính toán chu kỳ hoạt động của xung xung điện