Báo cáo Đồ Án i Động cơ một chiều không chổi than

Trong đề tài này, chúng tôi sẽ giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than, mô tả cụ thể về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và ưu điểm so với các loại động cơ khác.. GIỚI THIỆU CHUNG 1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- -BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Giáo viên hướng dẫn: Giáp Văn Nam Sinh viên thực hiện: Lê Quang Duy

Mssv: 20212731 Môn học: Đồ án I

Năm học 2022 - 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bối cảnh ngày nay, khi công nghệ và tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng, việc nghiên cứu và phát triển các loại động cơ tiên tiến trở thành một yếu tố không thể thiếu để nâng cao hiệu suất và bền vững trong các hệ thống điện

Động cơ một chiều không chổi than, đôi khi còn được biết đến với tên gọi động

cơ DC không chổi than, đại diện cho một tiên tiến trong ngành công nghiệp điện

và tự động hóa Điều này không chỉ là sự phát triển về kỹ thuật mà còn là bước tiến quan trọng trong việc giảm thiểu các vấn đề liên quan đến chổi than truyền thống, bao gồm mất mát năng lượng, tiếng ồn và độ bền hạn chế

Trong đề tài này, chúng tôi sẽ giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than,

mô tả cụ thể về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và ưu điểm so với các loại động cơ khác Chúng tôi cũng sẽ đề cập đến các ứng dụng và tiềm năng trong các lĩnh vực như công nghiệp, điện tử và xe điện

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Bài báo cáo giới thiệu tình hình hiện nay, khái niệm của động cơ một chiều không chổi than, nơi mà nó đang đóng vai trò quan trọng trong cải thiện hiệu suất

và tính bền vững của các hệ thống điện Trong giai đoạn này, tôi đã làm rõ ý nghĩa và tiềm năng ứng dụng của động cơ này, cũng như nhấn mạnh các thách thức mà nó đang giải quyết

Chuyển sang phần "Cấu Tạo", bài báo cáo đã cung cấp một cái nhìn chi tiết và cụ thể về cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than Thông qua các hình vẽ và biểu đồ, báo cáo đã minh họa về các thành phần chính và mối quan hệ giữa chúng Điều này giúp người đọc có cái nhìn toàn diện về cấu tạo kỹ thuật của động cơ, từ đó xây dựng nền tảng cho sự hiểu rõ về hoạt động của nó

Trong phần "Nguyên Lý Hoạt Động", chúng tôi đã tập trung trình bày về cách động cơ một chiều không chổi than chuyển đổi năng lượng từ điện thành cơ Bằng cách này, báo cáo làm sáng tỏ quá trình làm việc của các linh kiện quan trọng và mối tương tác giữa chúng để tạo ra chuyển động vòng quay Phần này mang lại sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động, từ đó làm nền tảng cho việc hiểu rõ hơn về các ứng dụng và tiềm năng cải tiến trong tương lai

Đề tài này không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan mà còn mở ra chi tiết và sâu sắc về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều không chổi than

Hi vọng rằng nghiên cứu này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Khái niệm về động cơ một chiều không chổi than BLDC

Động cơ một chiều không chổi than là một loại động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều thông thường, nhưng khác biệt ở chỗ không sử dụng chổi than làm nguyên tố truyền động Thay vào đó, động cơ này sử dụng hệ thống điện từ để tạo ra dòng điện và từ đó tạo ra chuyển động cơ cơ

Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều không chổi than là dựa vào việc tạo ra từ trường từ các cuộn dây dẫn điện khi dòng điện chạy qua chúng Trong động cơ này, thay vì sử dụng chổi than và bộ góp điện để thay đổi hướng dòng điện như trong động cơ một chiều thông thường, nó sử dụng hệ thống cảm ứng điện từ (tạo bởi cuộn dây quấn) để tạo ra động lực đối với rotor

Điều này giúp giảm mất mát năng lượng do ma sát và hạn chế tiếng ồn tạo

ra bởi chổi than trong quá trình vận hành Động cơ một chiều không chổi than thường có hiệu suất cao hơn và yêu cầu bảo trì ít hơn so với các loại động cơ một chiều truyền thống

Ứng dụng của động cơ một chiều không chổi than rất đa dạng, từ các thiết

bị điện tử nhỏ đến các ứng dụng công nghiệp và xe điện Sự tiện lợi và hiệu suất cao đã khiến cho động cơ này trở thành một lựa chọn phổ biến trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác và độ bền

1.2 Ưu điểm và ứng dụng của động cơ BLDC trong công nghiệp

Ưu điểm:

o Hiệu suất cao: Động cơ BLDC thường có hiệu suất cao hơn so với động

cơ một chiều có chổi than do giảm mất năng lượng do ma sát và hao mòn chổi than

o Bền bỉ và ít bảo dưỡng: Vì không sử dụng chổi than, động cơ BLDC giảm mức độ hao mòn trong quá trình vận hành, nâng cao tuổi thọ và giảm cần thiết phải bảo dưỡng

o Tiết kiệm năng lượng: Với hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốt, động

cơ BLDC giúp tiết kiệm năng lượng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các hệ thống cần duy trì hiệu quả năng lượng như điều hòa không khí, máy lạnh, hay hệ thống truyền động xe điện

Một số ứng dụng trong công nghiệp:

o Quạt làm mát trong máy tính:

- Ưu điểm sử dụng: Động cơ BLDC thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi làm việc liên tục và ổn định với hiệu suất cao

1

- Sản phẩm cụ thể: Một số quạt làm mát trong máy tính, như quạt CPU và quạt case, sử dụng động cơ BLDC để tăng cường hiệu suất làm mát và giảm tiếng ồn

Hình 1.1 Quạt tản nhiệt Fan Xigmatek Starz

o Xe điện:

- Ưu điểm sử dụng: Động cơ BLDC thường nhẹ,khả năng sinh momen cao, nhỏ gọn và hiệu quả năng lượng, làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng di động

và đô thị

- Sản phẩm cụ thể: Nhiều xe điện đô thị và xe đạp điện sử dụng động cơ BLDC

để cung cấp công suất động cơ và tăng cường hiệu suất điều khiển

Hình 1.2 Ứng dụng động cơ BLDC trong xe điện

2

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO 2.1 Stator

Một hệ Stator trong động cơ một chiều không chổi than BLDC thường được thiết kế với cấu trúc cố định và có nhiệm vụ tạo ra trường từ để tương tác với rotor Cấu trúc chính của stator thường bao gồm các thành phần sau:

o Lõi Stator:

Lõi stator trong động cơ một chiều không chổi than đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển động của động cơ Vai trò chính của lõi stator là tạo ra trường từ trường từ tính chuyển động, tác động lên rotor (rôto) để tạo ra chuyển động quay

Chất liệu của lõi stator thường là một loại thép silic có hàm lượng silic cao Chất liệu này được chọn vì khả năng dẫn điện kém, giúp giảm mức độ mất điện năng trong lõi, đồng thời tăng khả năng tập trung dòng từ tính vào lõi

Lõi stator cũng được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và giảm mức độ nhiệt

độ phát sinh trong quá trình hoạt động Điều này giúp đảm bảo độ ổn định của động cơ một chiều không chổi than trong nhiều ứng dụng khác nhau

o Cuộn Dây:

Động cơ BLDC có cấu trúc tương tự như động cơ đồng bộ thông thường hoặc động cơ cảm ứng Trong đó, cuộn dây đối xứng một hoặc nhiều pha được tích hợp trong lõi sắt và có thể được nối theo kiểu "Y" hoặc "A" Trong hệ thống, kiểu kết nối "Y" thường được ưa chuộng, trong đó cuộn dây ba pha được kết nối đối xứng, không có điểm trung tính

Tuy nhiên, đối với hiệu suất và giá thành của hệ thống, loại kết nối "Y" thường được ưu tiên sử dụng Trong trường hợp này, cuộn dây ba pha được kết nối đối xứng, không có điểm trung tính, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ Điều này giúp giảm mất mát và tăng khả năng chịu tải của hệ thống

3

Các loại cuộn dây phổ biến được sử dụng trong động cơ BLDC là cuộn dây toàn bước tập trung, cuộn dây toàn bước phân tán, cuộn dây có bước ngắn phân tán, v.v Các loại cuộn dây khác nhau có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ

Chất liệu đồng thường được ưa chuộng để làm dây cuốn vì khả năng dẫn điện tốt, khả năng chịu nhiệt độ và độ bền Nhưng đôi khi, nhôm cũng được sử dụng do tính nhẹ và giá thành thấp

 Tóm lại, stator có chức năng đưa dòng điện vào các cuộn dây trên stator, tạo ra từ từ tại cổng cuộn Trường từ này tương tác với trường từ tạo ra bởi nam châm trên rotor, tạo ra lực đẩy đối với rotor và kích thích chuyển động quay của động cơ Điều này tạo ra vòng lặp điều khiển liên tục, làm cho rotor quay và động cơ hoạt động

2.2 Rotor

Rotor của động cơ BLDC được hình thành bởi nam châm vĩnh cửu với các cặp cực nhất định, thường được làm từ vật liệu từ tính vĩnh cửu đất hiếm như NdFeB Các nam châm này có thể được nhúng vào bề mặt hoặc bên trong lõi sắt Trong hiện nay, nam châm vĩnh cửu thường được chế tạo từ NdFeB, mang lại ưu điểm về cường độ kháng từ và cường độ dư cao

Hình 2.2 Nam châm vĩnh cửu và trục rotor trong động cơ BLDC

o Nam Châm Vĩnh Cửu:

4

Nam châm vĩnh cửu, hay còn được gọi là nam châm cứng, đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ một chiều không chổi than Vai trò chủ yếu của nam châm vĩnh cửu là tạo ra một trường từ cố định trong không gian xung quanh nó

Khi được tích hợp vào cấu trúc của động cơ BLDC, nam châm vĩnh cửu tạo

ra một trường từ mạnh mẽ Trường từ này tương tác với dòng điện đi qua cuộn dây dẫn, thường được đặt xung quanh rotor của động cơ Quá trình này tạo ra một cơ chế lực đẩy và lực kéo giữa nam châm và cuộn dây, góp phần tạo nên sự xoay trục cơ của động cơ BLDC

Đặc điểm nổi bật của động cơ này là không sử dụng chổi than, thay vào đó,

nó tận dụng hiệu ứng từ trường từ của nam châm vĩnh cửu để thúc đẩy quá trình quay của rotor Nhờ vào nguyên lý hoạt động này, động cơ BLDC thường có hiệu suất cao, ít hao mòn và độ bền lâu dài trong các ứng dụng đòi hỏi sự ổn định

và hiệu quả

o Trục Rotor:

Trục rotor, một thành phần quan trọng trong động cơ một chiều không chổi than BLDC, đóng vai trò to lớn trong việc chuyển động và tạo ra năng lượng cơ học Vai trò chủ yếu của trục rotor bao gồm chịu tải từ lực đẩy và lực kéo tạo ra bởi tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và cuộn dây, cũng như xoay trục cơ của động cơ, tạo ra năng lượng cơ học

Trục rotor không chỉ đảm bảo việc chịu tải mà còn giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định và đồng bộ của động cơ Sự xoay đều và ổn định của trục này là quan trọng để đảm bảo hiệu suất và hoạt động chính xác của động

cơ BLDC

Chất liệu của trục rotor được chọn dựa trên các yếu tố như độ cứng, độ bền

và khả năng chịu nhiệt độ Các chất liệu phổ biến bao gồm thép, nhôm, titanium Lựa chọn chất liệu đặc biệt phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và mục tiêu thiết kế, nhằm đảm bảo sự linh hoạt và hiệu quả trong việc vận hành của động cơ BLDC

2.3 Cảm biến xác định vị trí của từ trường hall sensor

Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor

5

Hình 2.3 Hall sensor gắn trên stator

Cụ thể, Hall sensor sử dụng hiện tượng Hall effect để đo lường sự thay đổi của trường từ mà nam châm trên rotor tạo ra khi quay quanh stator Hiện tượng Hall effect là hiện tượng mà khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn trong một trường từ, nó sẽ tạo ra một điện thế đối với dọc với dòng điện và trường từ

Trong động cơ BLDC, Hall sensor được đặt gần rotor và được đặt thành ba cảm biến Hall, tương ứng với ba pha của động cơ Các cảm biến này được đặt một cách đều nhau xung quanh vòng stator để cung cấp thông tin về vị trí và hướng quay của rotor Dựa vào dữ liệu từ cảm biến Hall, hệ thống điều khiển có thể xác định chính xác vị trí của rotor và điều chỉnh dòng điện đưa vào các cuộn dây trên stator để duy trì hoặc thay đổi hướng quay

Sử dụng Hall sensor giúp động cơ BLDC có thể hoạt động một cách chính xác và hiệu quả, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và điều khiển tốt như trong robotics, máy in 3D, hay các thiết bị tự động hóa

6

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG

Động cơ một chiều không chổi than BLDC là một kiểu động cơ điện đặc biệt, khác biệt với các động cơ thông thường bởi vì nó không sử dụng chổi than

để truyền động Thay vào đó, nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự tương tác giữa từ trường tạo ra bởi Stator và nam châm vĩnh cửu trên Rotor

Stator là thành phần chủ đạo không di động của động cơ và được bao quanh bởi các cuộn dây dẫn điện Mỗi cuộn dây trên Stator kết nối với nguồn điện và tạo ra một từ trường khi được kích thích Rotor, phần quay của động cơ, chứa nam châm vĩnh cửu hoặc từ trường cố định Khi Rotor được đặt trong từ trường tạo ra bởi Stator, nó sẽ trở nên có xu hướng xoay để đạt được sự cân bằng với từ trường đó

Để Rotor tiếp tục xoay, dòng điện cần được chuyển từ một cuộn dây Stator sang cuộc khác một cách tuần tự Khi một cuộn dây Stator được kích thích, nó tạo ra một từ trường có cực từ, tương tác với Rotor và đẩy nó quay Quá trình này tiếp tục khi dòng điện chuyển đến cuộn dây Stator tiếp theo, và như vậy

Điều khiển dòng điện và thời điểm chính xác của chúng được thực hiện thông qua hệ thống điều khiển điện tử Hệ thống này đảm bảo tạo ra một từ trường xoay đúng hướng và đủ mạnh để giữ Rotor xoay một cách ổn định và hiệu quả Sự loại bỏ chổi than giúp giảm ma sát và mất năng lượng, làm tăng hiệu suất

và tuổi thọ của động cơ

Động cơ BLDC thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, độ chính xác và độ ổn định, đặc biệt là khi cần một giải pháp với tuổi thọ dài

và ít bảo trì

7