Nam chõm vĩnh cửu dựng để kớch từ cú thể là loại nam chõm điện từ hoặc loại nam chõm hiếm nhƣ: AlNiCo, NdFeB, SmCO… Tuy nhiờn hiện nay ngƣời ta thƣờng sử dụng cỏc loại nam chõm hiếm vỡ chỳng cú từ dƣ lớn, từ tớnh ớt thay đổi khi nhiệt độ tăng, khú bị khử từ…Với cụng nghệ chế tạo nam chõm ngày càng phỏt triển mạnh cỏc đặc tớnh từ của nam chõm vĩnh cửu ngày càng đƣợc cải thiện, chất lƣợng nam chõm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phộp động cơ BLDC đƣợc chế tạo và ứng dụng nhiều hơn.
Theo cỏch dỏn nam chõm vào rotor động cơ ta phõn thành hai kiểu rotor: rotor cú nam chõm dỏn trờn bề mặt bờn ngồi ( rotor-surface-mounted magnet) và dạng rotor nam chõm nằm bờn trong ( interior magnets).
a,b,c: nam chõm dỏn bề mặt ngồi rotor d,e,f,g: nam chõm đặt bờn trong rotor.
Theo vị trớ tƣơng đối của rotor đối với stator ta cú hai kiểu động cơ: Động cơ rotor nằm bờn trong ( interior rotor) và động cơ rotor nằm bờn ngồi (exterior rotor).
a.Động cơ nam chõm dỏn ngồi bề mặt rotor
Mỏy điện cú nam chõm vĩnh cửu dỏn trờn bề mặt rotor đƣợc xem nhƣ một động cơ cực từ ẩn.Thiết kế và cấu trỳc stator và cỏc cuộn dõy tƣơng tự nhƣ trong cỏc mỏy điện đồng bộ truyền thống. Nam chõm vĩnh cửu đƣợc đặt trờn bề mặt cả rotor và đƣợc gắn chặt vào rotor. Do nam chõm cú độ thẩm từ rất nhỏ so với sắt cho nờn ảnh hƣởng của khe hở khụng khớ lờn mỏy là lớn. Thụng thƣờng giả thiết khi phõn tớch mỏy điện đồng bộ nam chõm vĩnh cửu thỡ khe hở khụng khớ là đồng dạng.
Hỡnh 2.21: Kiểu rotor nam chõm dỏn ngồi bề mặt.
Trong trƣờng hợp cỏc thanh nam chõm đƣợc gắn trờn bề mặt của rotor, sự ra tăng độ thẩm từ do mụi trƣờng bờn ngồi là 1,02-1,2. Chỳng cú cƣờng độ từ trƣờng lớn, cho nờn cú thể xem mỏy điện cú khe hở khụng khớ lớn, do đú cú thể bỏ qua hiện tƣợng cực lồi (điều này dẫn đến điện cảm từ húa trờn trục d bằng điện cảm từ húa trờn trục q,Lmd=Lmq=Lm). Hơn nữa,do khe hở khụng khớ lớn, điện cảm đồng bộ (Ls=Lsl+Lm) nhỏ và vỡ vậy cú thể bỏ qua hiện tƣợng phản ứng
phần ứng. Một hệ quả của khe hở khụng khớ lớn là hằng số điện của cuộn stator nhỏ. Nam chõm dỏn nờn rotor cú thể cú nhiều hỡnh dạng, dạng cung trong hay dạng phẳng cú độ dày vài milimet. Nam chõm dạng cung tạo một từ thụng trong khe hở khụng khớ bằng phẳng và mụmen ớt dao động. Cũng cú thể giảm dao động của mụmen bằng cỏch thiết kế stator thớch hợp.
b.Động cơ cú nam chõm vĩnh cửu đặt bờn trong rotor
Động cơ loại này, nam chõm đƣợc đặt bờn trong của than rotor, nam chõm cú thể đƣợc đặt vuụng gúc nhau hay chộo nhau. Mỏy điện cú nam chõm bờn trong rotor cũng nhƣ động cơ đồng bộ cực lồi (Lq Ld). Do cỏc thanh nam chõm đƣợc đặt bờn trong rotor, ảnh hƣởng của khe hở khụng khớ nhỏ hơn nhiều so với mỏy điện cú cỏc thanh nam chõm đặt bờn ngồi rotor. Đặc tớnh này cho phộp cú thể vận hành dễ dàng trong vựng từ trƣờng yếu mà rất khú trong trƣờng hợp nam chõm dỏn ở mặt ngồi rotor. Do khe hở khụng khớ là khụng đồng dạng nờn điều khiển phức tạp hơn nhiều so với mỏy điện cú nam chõm dỏn ở mặt ngồi rotor, do mụmen tạo ra gồm cả hai thành phần: thành phần cơ bản và thành phần cƣỡng bức.
2.3.2.4.Phƣơng trỡnh mụ hỡnh toỏn cho động cơ BLDC a.Phƣơng trỡnh điện ỏp tức thời
Phƣơng trỡnh điện ỏp Kirchhoff cho động cơ đồng bộ:
v1=ef+R1ia+Ls (2.11)
Trong đú: ef là sức điện động cảm ứng tức thời của cuộn dõy một pha. R1 là điện trở của cuộn dõy một pha.
Ia là dũng điện tức thời của một pha dõy quấn stator. Ls là cảm khỏng của dõy quấn trờn một pha.
Đõy là phƣơng trỡnh điện ỏp một pha tớnh tại điểm trung tớnh của hệ thống. Đối với động cơ 3 pha nối sao Y, dạng súng điện ỏp vào là tồn cho kỳ, thỡ trong một thời điểm luụn cú hai cuộn dõy cựng cú dũng điện chạy qua. Do đú phƣơng trỡnh điện ỏp cú dạng:
v1=efA-efB+2R1ia+2Ls (2.12) Trong đú: efA-efB là điện ỏp cảm ứng dõy efAB, cú thể viết lại efL-L.
v1=(efA-efB)+2R1ia+2Ls (2.13)
Do động cơ BLDC dựng dũng một chiều cho cuộn dõy phần ứng chỳng ta bỏ qua cảm khỏng cuộn dõy Ls 0,v1=Vdc là điện ỏp một chiều đƣa vào bộ biến đổi điện ỏp.
Phƣơng trỡnh đƣợc viết lại cho động cơ BLDC: Đối với điện ỏp dạng bỏn súng:
ia(t)= (2.14) Đối với dạng điện ỏp tồn súng:
ia(t)= (2.15)
Nếu xột đến cảm khỏng Ls và giả thiết efL-L=EfL-L gần bằng hằng số thỡ phƣơng trỡnh đƣợc viết lại nhƣ sau:
ia(t)= .(1-e.R1 L
1t)+Ia0e.(R1/L1)t (2.16) Trong đú: Ia0 là dũng điện tại thời điểm t=0.
b.Sức điện động cảm ứng
Sức điện động cảm ứng EMF của cuộn dõy đƣợc tớnh theo cụng thức của tốc độ rotor n:
Đối với điện ỏp bỏn súng:
Ef=CEdc f.n=KEdc.n (2.17)
Đối với điện ỏp tồn súng:
EfL-L=CEdc. f.n=KEdc.n (2.18)
Trong đú: CEdc. f=KEdc gọi là hằng số sức điện động cảm ứng hay gọi tắt là hằng số cảm ứng. Kớch từ của nam chõm vĩnh cửu ta xem nhƣ khụng đổi f=const.
CEdc đƣợc xỏc định theo cụng thức:
CEdc=8pN1kw1 (2.19)
Với : kw1 là hệ số dõy quấn.
N1 số vũng dõy quấn của một pha. p số cặp của động cơ.
c.Mụmen điện từ
Mụmen điện từ của động cơ BLDC đƣợc xỏc định giống nhƣ của động cơ DC cú chổi than:
Td=CTdc fIa=KTdcIa (2.20)
Trong đú: CTdc f=KTdc là hằng số mụmen.
Hằng số moomen đƣợc xỏc định theo cụng thức:
CTdc= (2.21)
d.Vận tốc dài của rotor
Vận tốc dài m/s đƣợc tớnh theo cụng thức:
v= =2 pn (2.22)
Trong đú: bƣớc cực p số cặp cực
e.Sức điện động và mụmen động cơ BLDC
Đối với dõy quấn nối Y, tại một thời điểm dũng điện chỉ chạy qua hai trong ba cuộn dõy của dõy quấn stator. Dũng điện DC kớch từ cú =0 nờn cụng thức sức điện động giống nhƣ động cơ DC:
Vdc=EfL-L+2R1Ia (2.23)
Sức điện động cảm ứng EfL-L là tổng sức điện động cảm ứng của hai cuộn dõy nối tiếp nhau, điện ỏp Vdc là điện ỏp DC đƣa vào bộ điều khiển:
Xột điều kiện lý tƣởng với từ thụng dạng hỡnh chữ nhật khụng đổi Bmb=const trong giai đoạn 0 x ta cú từ thụng cảm ứng từ:
f=Li dx= LiBmg (2.24)
Trong thực tế từ thụng này nhỏ hơn vỡ bp< , cụng thức trở thành:
f=bpLiBmg= i LiBmg (2.25)
Với kớch từ dạng xung vuụng, sức điện động cảm ứng trờn một vũng dõy nhƣ sau:
ef0=2BmgLiv=4pnBmgLi (2.26) Nếu tớnh tới chiều rộng cực bp= i và cuộn dõy cú N1 vũng với hệ số quấn dõy kw1 ta cú sức điện động cảm ứng đƣợc tớnh:
ef=4pnN1kw1 iBmgLi =4pnN1kw1 f (2.27) Với mạch nối Y, trong một thời điểm dũng điện qua hai cuộn dõy thỡ:
EfL-L=2ef=8pN1kw1 i LiBmgn=cEdc fn=kEdcn (2.28) Trong đú ta thay:cEdc=8pN1kw1, f= i LiBmg và kEdc=cEdc f
Mụmen điện từ sinh ra cú giỏ trị:
Td= = = p.N1kw1 LiBmgIa (2.29)
Td= pN1kw1 fIa=CTdc fIa=kTdcIa (2.30)
f. Đặc tớnh moment- vận tốc
Đặc tớnh moment- vận tốc của động cơ theo cụng thức ta cú:
Moment khởi động Tdst=kTdc.Iash và dũng điện khởi động Iash= (2.32) Ta cú:
=1- =1 - (2.33)
Cỏc cụng thức trờn là cụng thức gần đỳng do đú khụng đƣợc sử dụng để tớnh cỏc đặc tớnh kinh tế cho động cơ BLDC.
Đặc tớnh moment- tốc độ của động cơ BLDC từ lý thuyết đến thực tế cú sự khỏc biệt:
Hỡnh 2.23: Đặc tớnh moment-tốc độ lý thuyết và thực tế: (a) Lý thuyết, (b) Thực tế.