2.1.3.1. Phân loại theo hình dạng đường sức từ
Khi nói đến cấu hình đường sức từ, ta có thể phân loại động cơ BLDC ra thành hai loại: loại đường sức từ hướng trục (Radial Flux Motor) và đường sức từ dọc trục (Axial Flux Motor).
Với dạng đường sức từ hướng trục (Radial Flux Motor), rotor và stator được sắp xếp trên cùng một mặt phẳng vuông góc với trục quay. Hiện tại, đây là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay của động cơ BLDC vì cấu tạo đơn giản, dễ dàng sản xuất, trong khi đó hiệu suất lại cao.
Một dạng động cơ BLDC khác khi phân biệt theo đường sức từ đó là động cơ với đường sức từ dọc trục (Axial Flux Motor). Khác với loại còn lại, rotor và stator ở đây được đặt trên hai hoặc nhiều mặt phẳng khác nhau. Điều này giúp tăng diện tích tương tác từ giữa hai bộ phận.
Khi so sánh hai dòng BLDC này với nhau, điều đầu tiên phải kể đến là hình dạng chung của động cơ. Thông thường, radial flux motor sẽ có chiều cao lớn hơn, đường kính nhỏ hơn. Ngược lại, axial flux motor lại có hình dạng dẹt do nhu cầu về đường kính lớn giúp tăng diện tích tương tác từ. Đặc điểm hình dạng giúp hai loại này có những ưu thế nhất định trong từng loại ứng dụng. Về các đặc điểm công suất, hiệu suất, moment,... đã có nhiều so sánh được tiến hành bởi nhiều nghiên cứu về hai loại động cơ BLDC trên. Tuy nhiên, các chỉ số chênh lệch tương đối nhỏ và điều kiện so sánh khác nhau rất nhiều nên khó nói rõ dạng động cơ nào nổi trội hơn. Điều đáng kể nhất đó là hiệu suất của cả hai loại đều giảm khi kích thước hoặc số cực từ rotor chúng tăng lên quá cao. Như vậy, giữ cho số cặp từ rotor và thiết kế động cơ hợp lý là điều cần thiết. Một yếu tố có lợi cho động cơ Axial đó là dễ dàng ứng dụng sử dụng thêm rotor hoặc stator mà vẫn giữ được ưu điểm kích thước nhỏ gọn. Nhờ đây, kiểu thiết kế bánh kẹp hai stator với một đĩa rotor đã được áp dụng cho dòng động cơ này và trở nên rất nổi trội. Điều này là nhờ hiệu suất của chúng được nâng cao trong khi kích thước nhỏ mà vẫn giữ vững đặc tính moment, công suất lớn.
Trong thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện động cơ axial flux BLDC giúp cho loại này phổ biến hơn, dễ chế tạo hơn và tận dụng được tính chất mật độ công suất cao. Trong tương lai, dòng động cơ này được dự đoán sẽ thay thế radial flux motor trong một số lĩnh vực.
2.1.3.2. Phân loại theo thiết kế stator và rotor
Khi thiết kế rotor và stator, số lượng và vị trí là yếu tố ảnh hưởng lớn đến tính khả thi cũng như hiệu quả của động cơ. Tùy theo lựa chọn số lượng rotor/stator là một, hai hoặc lớn hơn mà cấu hình động cơ có thể thay đổi nhiều hay ít. Ở đây, ta sẽ chia ra hai dòng động cơ chính để phân tích, loại một với một cặp rotor/stator - đây là loại phổ biến nhất và sẽ được xem như là mặc định khi ta nhắc đến ở phần sau của đồ án, và loại hai là loại với thiết kế rotor/stator kẹp, thường thấy ở loại đường sức từ dọc trục. Một số động cơ BLDC có thể có nhiều hơn stator và rotor. Tuy nhiên, các loại này thường ít được sử dụng nên chỉ được nhắc đến ở đây.
Động cơ BLDC với một cặp rotor/stator
Tùy theo cấu hình động cơ BLDC, cụ thể là với loại sắp xếp hướng trục - Radial Flux Motor, ta có thể thiết kế vị trí stator và rotor ở vòng ngoài hoặc trong. Với rotor ở trong, ta gọi loại này là Inrunner và ngược lại, Outrunner với rotor ở ngoài. Nhìn chung, diện tích stator tiếp xúc với vỏ ngoài động cơ càng lớn, cuộn dây sẽ càng tản nhiệt tốt hơn bằng cách truyền nhiệt qua đó ra bên ngoài.
Hình 2.14. Một số cấu hình stator/rotor động cơ BLDC phổ biến
Vì thế, loại Inrunner với stator bao quanh phía ngoài có ưu điểm rõ rệt khi ta cần quan tâm tới nhiệt độ làm việc của động cơ. Lúc đó, vấn đề duy nhất ta cần để ý đến là làm sao để làm mát cho vỏ động cơ càng hiệu quả càng tốt. Bên cạnh đó, nếu cần phải sử dụng thêm hệ thống làm mát cho động cơ, việc thiết kế sẽ đơn giản hơn phần nào.
Với loại Outrunner, tiếp xúc vật lí duy nhất của stator là với trục động cơ. Vì vậy, tản nhiệt thường cần phải dựa vào việc thiết kế khoét lỗ trên rotor để đưa dòng khí vào phía trong. Ta khó có thể chỉ làm mát trục động cơ để từ đó giảm nhiệt độ stator. Nếu sử dụng
so với loại động cơ Inrunner. Như vậy, khả năng tản nhiệt khi dùng loại động cơ trên là kém hơn. Tuy nhiên, khi có rotor ở ngoài, moment của động cơ được tăng lên đáng kể ở số vòng quay thấp. Điều này cho động cơ BLDC loại Outrunner có tính ứng dụng vượt trội trong những ngành công nghệ đòi hỏi về moment, cụ thể như máy bay không người lái.
Với tất cả các loại động cơ, càng tăng thêm khối lượng rotor - thường thấy ở Outrunner hoặc Axial motor với nhiều đĩa rotor, thì vấn đề ổn định động học động cơ càng cần được chú ý vì lúc này ảnh hưởng của nó tăng lên nhiều hơn. Nếu được sản xuất kém chính xác, phân bố khối lượng rotor sẽ trở nên không đồng đều. Và khi chuyển động, rotor sẽ tác dụng có hại đến trục động cơ, đồng thời giảm hiệu suất làm việc.
Trên loại Axial, với chỉ một cặp rotor/stator, không có khác biệt nhiều khi thay đổi vị trí chúng. Rotor và stator về cơ bản sẽ chỉ đổi chỗ trái phải hoặc trước sau cho nhau, tùy chiều quan sát. Nói cách khác, hai sắp xếp chỉ là đối xứng nhau.
Động cơ BLDC với nhiều rotor/stator
Hai sắp xếp phổ biến với loại động cơ BLDC này là dual rotor single stator (2 rotor 1 stator) thường dùng trên Radial flux motor (và cả trên axial nếu muốn) và double stator single rotor (2 stator 1 rotor) phổ biến trên Axial flux motor. Tuy vậy, việc dùng hai rotor kết hợp trong cách sắp xếp đầu tiên lại thường ít được sử dụng nói chung do quán tính tăng lên và yêu cầu cao hơn về độ ổn định - phân bố khối lượng của rotor. Ngoài ra, dùng hai rotor còn vô tình đưa stator vào bên trong gây khó khăn cho việc tản nhiệt cho các cuộn dây.
Với cách thiết kế còn lại, thiết kế bánh kẹp với hai stator ôm lấy rotor ở giữa, đây là cách bố trí rất được ưa chuộng ở động cơ BLDC đường sức từ dọc trục. Khi này, ưu điểm của cách sắp xếp dạng axial flux trở nên nổi bật. Quãng đường đường sức từ được giảm ngắn đi với loại này. Cùng lúc đó, moment, công suất đều được tăng lên đáng kể. Điều đáng nói nhất là, loại động cơ này có mật độ công suất cao hơn các động cơ BLDC thông thường, phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi gọn nhẹ mà vẫn cần khả năng làm việc tốt.
Hình 2.16. Động cơ BLDC dạng axial flux với hai stator
Nhìn chung, nếu dùng thêm stator hoặc rotor, moment và công suất động cơ có thể được cải thiện. Tuy nhiên, một điều đáng chú ý là lúc này động cơ ta trở nên phức tạp và tốn kém chi phí sản xuất hơn nhiều khiến phạm vi ứng dụng của chúng bị hạn chế trong một số lĩnh vực cụ thể. Hiện tại, nhắc lại, động cơ với thiết kế radial flux, inrunner vẫn là phổ biến nhất.
2.1.3.3. Phân loại theo cảm biến
Ở đây, xét theo việc sử dụng cảm biến, ta có thể chia ra hai loại BLDC - có dùng cảm biến vị trí và không dùng cảm biến vị trí. Cụ thể, cách điều khiển motor sẽ có sự khác biệt giữa hai loại này.
Loại dùng cảm biến
Khi có sử dụng cảm biển vị trí, hệ thống hoạt động theo một lặp vòng kín, tức là sensor gửi tín hiệu vị trí rotor về bộ điều khiển controller, bộ điều khiển sau đó dẫn dòng điện qua stator đưa rotor đến vị trí mới rồi sensor lại gửi vị trí mới vể controller, quá trình tiếp tục lặp lại tuần hoàn. Với cảm biến vị trí, hoạt động của động cơ được đảm bảo dựa theo tốc độ của rotor. Bên cạnh đó, nếu có thể khắc phục điều kiện tác động đến cảm biến,
của từng loại động cơ. Thông thường, chúng được đặt liên tiếp, cách nhau 60° hay 120°. Điểm yếu của việc sử dụng cảm biến chính là sự tác động của các yếu tố từ môi trường làm việc đến chính cảm biến sử dụng. Ở các môi trường nhiều bụi, độ ẩm cao, rung lắc, nếu động cơ và cảm biến không được chế tạo tốt, sẽ dẫn đến hoạt động kém.
Loại không dùng cảm biến
Với cách điều khiển không sử dụng cảm biến, ta có thể sẽ cần một bộ điều khiển khác. Cách thức hoạt động của động cơ bây giờ không phụ thuộc vào tín hiệu cảm biến nữa, mà vào một thông số gọi là Back EMF - Back electromotive force, sức phản điện động. Khi rotor bắt đầu quay nhanh, sức phản điện động sẽ dần tăng lên. Cơ cấu này tương tự như việc tạo ra điện ở máy phát. Điều đáng nói ở đây là tần số của sức phản điện động tỉ lệ với tốc độ của động cơ. Vì vậy, nếu có thể đọc được tần số này, ta có thể xác định được tốc độ và điều khiển động cơ phù hợp.
Tuy nhiên, điều khó khăn ở phương pháp này là ở số vòng quay thấp, sức phản điện động sinh ra kém khiến việc đọc tín hiệu không chính xác. Vì thế, khởi động động cơ không dùng cảm biến vị trí sẽ là một vấn đề cần xử lý.
Những điều cân nhắc khi lựa chọn động cơ có hoặc không dùng cảm biến
Những yếu tố ảnh hưởng ở đây bao gồm: quá trình hoạt động, ứng dụng, môi trường, tuổi thọ và chi phí. Nhìn chung, khi cần khởi động nhanh, chu kỳ hoạt động ngắn thì việc có sử dụng cảm biến sẽ đơn giản và giúp ích nhiều. Ngược lại, với chu kỳ hoạt động kéo dài đồng thời môi trường làm việc của động cơ khắc nghiệt thì không dùng cảm biến là điều nên cân nhắc. Quan trọng nhất, bộ điều khiển sử dụng là rất quan trọng và phải phù hợp với loại hình điều khiển lựa chọn.
Về tốc độ, nếu hoạt động ở tốc độ thấp hoặc dải làm việc rộng và cần độ tin cậy cao, việc dùng cảm biến sẽ tốt hơn nhiều. Nếu tốc độ động cơ thường ở mức cao, loại không dùng cảm biến sẽ có thể được lựa chọn. Nếu không dùng cảm biến, tốc độ của động cơ cũng có thể được tăng thêm. Điều này là do bộ điều khiển không cần phải xử lí tín hiệu từ cảm biến.
Ngoài ra, bộ điều khiển cũng có ảnh hưởng lớn đến cảm biến chúng ta lựa chọn. Những yếu tố như cách thức điều khiển, lập trình điều khiển đều có tác động riêng. Bên cạnh đó, chất lượng của bộ điều khiển cũng có vai trò nhất định.