Nguyên lý làm việc động cơ không chổi than

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 dù

tudonghoa68.blogspot.com http://tudonghoa68.blogspot.com/2015/06/nguyen-ly-lam-viec-brushless-dc-motor.html

Nguyên lý làm việc động cơ không chổi than BLDC

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

Một phiên bản trang web chi tiết của các video được đưa ra dưới đây

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 đẩu 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 nhƣng 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 d ây 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 Fig.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 c ủ cà rốt, trong một BLDC rotor chạy sau từ thông của Stator

Làm thế nào để nâng cao hiệu suất của 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 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 nó một cách như vậy

đó, nó sẽ đẩy các cánh quạt

Hình 9 Thêm một cuộn dây được cấp năng lượng trong

động cơ, thiết thực; điều này sẽ dẫn đến 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

Fig.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 Fig.10

Fig.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 Fig.13 với Hình 9, nó là rõ ràng rằng, dòng chảy hiện nay là giống như trạng thái năng lượng một cách riêng biệt

Fig.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, bạn có thể có một số nghi ngờ hấp dẫn trong tâm trí của bạn Làm thế nào để tôi biết được stator cuộn dây để tiếp sinh lực? Làm thế nào để biết khi nào để tiếp sinh lực cho nó, vì vậy

mà tôi sẽ có được một vòng quay liên tục từ các cánh quạt? 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 điều khiển quyết định, trong đó cuộn dây để thêm nghị lực

Fig.14 ECU xác định cuộn dây để tiếp sức và khi để thêm

nghị lực nó Các con số 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

Fig.15

Cảm biến hiệu ứng Fig.15 A Hall được sử dụng để xác định vị trí của rotor

Các loại thiết kế BLDC

Các thiết kế BLDC, chúng tôi đã thảo luận cho đến nay được biết đến như loại ra-runner Ở đây, Á hậu nếu fitter quanh stator In-runner thiết kế BLDC cũng có sẵn trên thị trường

Hình 16: Trong một Out-Runner BLDC, Á hậu ngồi

quanh stator

Out-Runner thiết kế có một lợi thế nhất định trên cơ

khí thiết kế In-Runner Ở tốc độ cao hơn các Á hậu

có xu hướng tăng nhẹ do lực ly tâm Kết quả là,

trong In-Runner thiết kế một số lượng tốt của giải

phóng mặt bằng phải được đưa ra giữa rotor và Á

hậu để tránh va chạm Thanh thải cao hơn như

tăng rò rỉ từ thông và làm giảm hiệu quả của động

cơ Tuy nhiên thiết kế Out-Runner không có giới

hạn như vậy, là người chạy ở bên ngoài là miễn phí

để mở rộng

*

*

Đại Thành

Thứ Sáu, ngày 19 tháng 6 năm 2015

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

Một phiên bản trang web chi tiết của các video được đưa ra dưới đây

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 đẩu 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 nhƣng 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 d ây 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 Fig.5)