Ứng dụng quan trọng nhất đối với động cơ rotor bên ngoài là các truyền động trực tiếp như quạt, máy thổi, động cơ trục chính ổđĩa cứng HDD. Nh ng ng d ng ữ ứ ụ này yêu cầ ốc độ ất đều và không đổu t r i, do vậy quán tính cao của rotor bên ngoài là
một lợi thếđểđạt được điều này.
Ngoài ra động cơ BLDC còn được sử dụng cho các phụ ải yêu cầ ốc độ t u t quay
tương đối thấp như: máy ghi âm, máy nghe nhạc VCR, ổđĩa CD và ổ đĩa mềm cho
máy tính. Đểđáp ứng với các phụ ải trên t người ta thường thiết kếđộng cơ BLDC
có khe hở dọc trục hoặc động cơ có stator ạng đĩa (hình 1.6). d
Hình 1.6. C u t o ấ ạ động cơ BLDC kiể ừ trườu t ng d c trọ ục
Ưu điểm chính của những động cơ này là chi phí thấp, hình dạng phẳng và quay trơn tru. Việc lựa chọn loại động cơ là quyết định thiết kếcơ bản nhất, vì giá thành
của nam châm tương đối cao, cùng với các vấn đềliên quan đến lắp ráp, giữ nam
châm và cuộn dây. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa xác định được cấu tạo nào nên được sử dụng để ối đa hóa mật độ t năng lượng, hiệu suất và tiếng ồn của động cơ
phải nghiên cứu giá trị tương đối của từng cấu hình về ật độ công suấ m t, hiệu suất
và mức độ rung/ồn.
1.1.2. Đặc điểm điều khi n cể ủa động cơ BLDC
Đểđộng cơ BLDC hoạt động được phải có b ộ điều khiển điệ ửn t . Các cuộn dây
pha được nối và cấp điện theo th t , do ứ ự các phần t chuy n m ch trong bi n tử ể ạ ế ần
thông qua điều khiển bởi các cảm biến vịtrí rotor. Do đó sức từđộng của stator (MMF) chạy trước so với dịch chuy n s c tể ứ ừđộng rotor (MMF) một góc không đổi.
Các thành phần cơ bản của hệ thống truyền động BLDC là: bộ chỉnh lưu, bộ biến t n,ầ động cơ PM, cảm biến vịtrí rotor và bộ điều khiển như trong hình 1.7.
Hình 1.7.Các thành phần cơ bản của hệ truyền động BLDC
ng d n DC.
Bộ chỉnh lưu: Chuyển đổi điện ápAC thành điện áp đườ ẫ Hoặc sử
dụng trực tiếp nguồn DC (pin, ắc quy…).
Nghịch lưu: Bao gồm các khóa chuyển mạch bán dẫn công suất và các cảm biến
dòng điện cùng mạch bảo vệ. Sơ đồ mạch nghịch lưuđược thể hiện trong hình 1.8 cho các kết nối hình sao và hình tam giác.
(a)Kết nối hình sao (b)Kết nối hình tam giác Hình 1.8.Mạch phần ứng động cơ BLDC được cấp điệ thông qua biế ần n t n
Đố ới v i hoạt động điều khiển động cơ BLDC, thông thường có hai van bán dẫn
cùng dẫn một lúc. Các van bán dẫn trong biến tần nh n lậ ệnh từ một hệ thống logic
được đồng bộhóa với các cảm biến vịtrí rotor. Hình 1.9 cho thấy trình tự chuyển
đổi các van bán dẫn cho dạng sóng dòng điện tương ứng với kết nối hình sao.
Trình tự chuyển mạch van bán dẫn Kết quảcác dạng sóng dòng điện Hình 1.9.Trình tự chuyển mạch van bán dẫn và dạng sóng dòng điện tương ứng
Cảm bi n vế ịtrí rotor: Phát hiện vịtrí quay của nam châm và gửi mã logic đến bộ giải mã chuyển mạch đểkích hoạ các mạch điềt u khi n van ể bán dẫn chuyển đổi nguồn c p cho cuấ ộn dây stato động cơ. Môr men động cơđược tạo ra thông qua sự tương tác giữa nam châm vĩnh cửu và dòng điện chạy trong cuộn dây.
Nói chung, cảm biến vịtrí rotor động cơ BLDC trong thương mại được thực hiện bởi bộphân giả và bội chuyển đổi hiệu ứng Hall. Những năm gần đây có nhiều
nghiên cứu cải tiến để loại bỏ sựkhông cần thiết của b chuyộ ển đổi vịtrí. Đây được gọi là điều khiển không cảm biến. Động cơ không cảm biến có thểáp dụng trong tủ
lạnh, máy điều hòa không khí, quạt điện và đặc biệt là trong ổđĩa cứng [10]. Động cơ BLDC: Có c u ấ trúcvà kích từkhác nhaucho các ứng d ng cụ ụ thểnhư đã đề cập trong mục 1.1.1.
Bộđiều khiển:Nhiệm vụchính của bộ điều khiển là giải mã dữ liệu đầ vào u cảm biến vịtrí, đểđiều khiển điện áp cung cấp cho biến tần, vận hành vòng điều khiển tốc đ và vịộ trí.
1.1.3. ng dỨ ụng động cơ BLDC trong truyền động trực tiếp
Thông thường, các động cơ điệ có tốc độn từ1000 đến 3000 vòng/phút được nối với hộp gi m tả ốc, đểđạt được yêu cầu tốc độ thấp và mô men xoắn cao (hình
1.10.a). Ngày nay vớ ựi s xu t hi n ấ ệ động cơ BLDCrotor ngoài đã cung c p m t giấ ộ ải
pháp thay thế, đó động cơlà nối trực tiếp với tải mà vẫn đảm bảo tốc độ ấp và mô th men xoắn cao nên có thể triệt tiêu hộp số trong truyền động (hình 1.10.b).
Hình 1.10.a) H truyệ ền động gi m t c; b) H truyả ố ệ ền động tr c tiự ếp.
Truyền động trực tiếp có nhiều ưu điểm hơn so với truyền động hộp số, phần lớn
đến từ việc đơn giản hóa hệthống truyền động. Nh ng lữ ợi thếnày bao gồm [11][12]:
✓ Giảm chi phí bảo dưỡng.
✓ Độ tin cậy cao hơn và động cơ có tuổi thọlâu hơn.
✓ Giảm ti ng n - H p sế ồ ộ ốvà các bộ phận cơ học khác của hệ thống truyền
động như dây đai hoặc ròng rọc là nguồn gây ra tiếng ồn. Nên truyền động trực tiếp đã khắc phục được nhược điể nàym .
✓ Hiệu quảcao hơn - Loại b h p sỏ ộ ốcũng đồng nghĩa với vi c lo i b ệ ạ ỏ
nguồn t n th t tiổ ấ ềm ẩn. T n hao trong h p s ph n l n sinh ra do ma ổ ộ ố ầ ớ sát
giữa các bánh răng.
✓ Giảm trọng lượng - Truyền động tr c tiự ếp có thể nhẹhơn truyền động
thông qua hộp số.
Một sốví dụ ề v truyền động tr c ti p s dự ế ử ụng động cơ BLDC rotor ngoài đã chỉ
ra các lợi thế khác biệt so với truyền động qua h p s . ộ ố
1.1.3.4. Máy giặt
Máy giặt truyền động trực tiếp đang dần thay thếmáy giặt thông thường dùng động cơ điện một chiều hoặc động cơ cảm ứng dẫn động lồng giặt thông qua dây đai và ròng rọc (hình 1.11.a). Ưu điểm chính của máy giặt truyền động trực tiếp (hình 1.11b) đến từ sự triệt tiêu của dây curoa, ròng rọc và cuối cùng là chổi than của động cơ DC. Những thiết bịnày là những b phộ ận yếu của máy giặt và thường
là nguyên nhân gây ra hỏng hóc.
Động cơ máy giặt dành cho thiết bị gia dụng thường có công suất nhỏ hơn 1 kW. Lồng gi t cặ ủa máy quay khoảng 50 vòng/phút trong quá trình giặ vàt lên đến 1500
vòng/ phút hoặc cao hơn trong quá trình vắt [13]. Do đó, động cơ truyền động trực tiếp của máy giặt được hoạt động trên một d i tả ốc độ ớn, điều này đạt đượ l c b ng ằ cách hoạt động trong điều kiện từtrường yếu. Động cơ BLDC được kết nối trực tiếp với lồng giặ . Động cơ này có dạng sóng t sức phản điện động (Back-EMF) hình thang và được cung cấp dòng điện hình chữnhật.
(a) (b)
Hình 1.11.a) Máy giặt thông thường; b) Máy giặt truyền động trực tiếp của LG [14]. 1.1.3.5. Quạt trần
Truyền động trực tiếp có trong quạt trần truyền thống, hoạt động dựa trên động
cơ điệ không đồn ng bộ xoay chiều, mức tiêu thụ năng lượng dao động từ 60-80W, với kích thước động cơ ớn và hiệ l u suất không quá 50% Vì hiệ. u suất thấp nên
nhiều hãng sản xuất quạt đã nhận th y r ng ấ ằ động cơ điệ nam châm vĩnh cửu có n
công suất định mức thấp hơn 40-50% so với động cơ không đồng bộmà vẫn có thể
cung cấp cùng một lưu lượng gió đầu ra. Điều đó có nghĩa là hệ thống quạt sử ụ d ng
động cơ một chiều không chổi than nam châm vĩnh cửu (BLDC-hình 1.12) khoảng 30-40W s thay th mẽ ế ức tiêu thụđiện 60-80W ởđộng cơkhông đồng b xoay ộ
chiều. Đây là một sự tiết kiệm điện năng rấ ớn. Hơn nữt l a, kích thước, khối lượng
động cơ BLDC nhẹhơn nhiều so với động cơ không đồng bộ xoay chiều.
Tuy nhiên khi quạt trần hoạt độ , có thểng nghe thấy tiếng ồn được tạo ra do cánh
quạt cắt qua không khí. Nguyên nhângây ra tiếng ồn có thểlà điệ ừn t hoặc cơ học [15]. Trong khi đó thì bộđiều khiển điệ ửn t được giữbên ngoài quạ nênt, không thể góp phần tạo ra tiếng ồn trong quạt. Vì vậy cần nghiên cứu để giảm tiếng ồn từ cấu tạo quạt trần để nâng cao chất lượng s d ng. ử ụ
1.1.3.3. Một số ứng dụng khác
Truyền động trực tiếp cũng trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng yêu cầu
điều khiển t c ố độvà vị trí chính xác. Các ứng dụng này bao gồm máy công cụ, bàn quay, radar, kính thiên văn…v.v.
Động cơ được sử dụng trong các ứng dụng này được gọi là động cơ servo DC
không chổi than với nam châm ắn trên bề g mặt ro r. to Động cơ có kích thước từ 100
mm đến hơn 2 m [17] và có đường kính khe hở không khí lớn để cung cấp giá trị mô men xoắn cao.
1.2. Các nghiên cứu trong nước và quốc tế
Mặc dù động cơ BLDC có nhiều ưu điểm như vậy, nhưng mô men đập mạch là
một khuyết điểm c h u ố ữ và có ảnh hưởng lớn đến hoạt động ổn định của hệ thống truyền độ , đặng c biệt là ởđiều kiện tốc độthấp [18]. Do đó, điều quan trọng là phải
nghiên cứu một phương pháp thiết kế tốt hơn để ảm mô men đậ gi p mạch trong động
cơ BLDC.
1.2.1. Các nghiên cứu trong nước
Hiện t i ạ ởViệt Nam, các nghiên cứu về động cơ nam châm vĩnh cửu nói chung và động cơ BLDC nói riêng chưa có công bố vềphương pháp giảm mô men đập mạch. Các nghiên cứu đã công bố ập trung vào thiế t t kế, chế tạo, tối ưu hiệu suất hay cải thiện đặc tính khởi động, có thểtóm tắt m t sộ ố nghiên cứu:
Báo cáo tổng kết đề tài cấp thành phốHà Nội do TSBùi Đức Hùng chủ nhiệm và
cộng sự (2013) [19] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành côngđộng cơ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có công suất dưới 1 kW.
TS Nguyễn Vũ Thanh (2015) [20] với đềtài luận án TS: “Nghiên cứu thiế ết k tối ưu
động cơ đồng bộ3 pha nam châm vĩnh cửu (LSPMSM)”. Trong nghiên cứu, tác giả tập
trung xem xét thuật toán thiết kế, ch tế ạo hoàn chỉnh động cơ đồng bộ3 pha nam châm vĩnh cửu khởi động trực ti p tế ừlưới điện, từđó thực hiện tối ưu đểnâng cao hiệu suất, hệ sốcông suất 𝑐𝑜𝑠𝜑và giảm thểtích nam châm vĩnh cửu động cơ chế ạo theo công t nghệđềxuất.
TS Lê Anh Tuấn (2018) [21] với đề tài luận án TS: “Nghiên cứu đặc tính động
cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu khởi động trực tiếp có xét đế ảnh hưởn ng của bão hòa mạch từvà hiệu ứng mặt ngoài”. Trong nghiên cứu, tác giả ập trung đánh giá t những y u tế ố, thông sốchính ảnh hưởng đến quá trình khởi động. Tính toán đặc
tính điện cảm từhóa đồng bộ dọc trục (Lmd), ngang trục (Lmq) của LSPMSM có xét đến ảnh hưởng bão hòa mạch từvà chế tạo thực nghiệm đặc tính khởi động, hiệu suất và hệ sốcông suất.
1.2.2. Các nghiên cứu trên thế ớ gi i
Việc giảm mômen đập mạch đặc bi t quan trệ ọng trong các hệ thống truyền động trực tiếp, nơi không có bánh răng để ả gi m thi u ho c h p thể ặ ấ ụmômen đập mạch. Đã
có rất nhiều công trình công bố vềcác phương pháp để giảm mômen đập mạch. Hầu như tất cảcông trình nghiên cứ đều liên quan đếu n những thay đổi của thiết kế động cơ như định hình nam châm, nghiêng nam châm, chiều rộng miệng rãnh nhỏ hơn, tăng tỷ lệrãnh/cực, bổsung các rãnh giả làm giảm sốlượng nam châm trên các rãnh stator [22], [23]. Việc tối ưu hóa chiều rộng miệng rãnh stato là mộr t trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để giảm mômen đập mạch, bao gồm thi t kế ế chiều r ng mi ng ộ ệ rãnh stato thích hợr p ho c thặ ậm chí đóng kín miệng
rãnh. Tuy nhiên với một lượng nam châm nhất định trên rotor có thể gây ra tình
trạng chi u r ng miề ộ ệng rãnhquá hẹp sẽkhó khăn khi lắ đặp t cuộn dây stator [24]–
[26].
Hoặc có thể giảm thiểu mômen đập mạch bằng cách ghép nối các răng stator, tối
ưu tỷ lệ cung cực và độ lệch ro r to [27] Th. ực hiện các phân đoạn, dịch chuyển, định
hình và sắp xếp nam châm không đối xứng là một sốphương pháp đã được phân tích để giảm thiểu mômen đập mạch [28]–[34]. Ba phương pháp chuyển dịch nam
châm vĩnh cử , phân đoạ nam châm vĩnh cử và phương pháp vậu n u t liệu nam châm vĩnh cửu hỗn hợp được nghiên cứu đểmômen đập mạch [35], [36].
Trong [37], bốn mô hình phân tích đểtính toán mômen đập mạch được so sánh và mô hình miền phụđược coi là mô hình chính xác nhất. Trong [38] nam châm vĩnh cử có hìnhu dạng ổbánh mì được đề xuất và mô hình phân tíchđể giảm mô men đập mạch được phát triển. Một sốphương pháp bao gồm phân đoạn PM, đưa vào các rãnh phụ trợđặc biệt, sử dụng rotor hai phần…v.v, được nghiên cứu hoặc
tăng cường khảnăng mô men đập mạch cho một sốứng dụng đặc biệt [39]. Nghiên
cứu tính năng mômen đập mạch tạo ra bởi một PM đơn lẻvà đưa ra phương pháp
dịch chuyển các cực PM theo đơn vịđể giảm mômen đập mạch [40].
Ren và cộng sựđề xuất rotor kiểu chữV không đối xứng để giảm sự tạo ra mô men đập mạch cho động cơ PMSM rotor bên trong. Hiệu quả của phương pháp này được kiểm chứng thông qua phân tích phần tử hữu hạn và thí nghiệm nguyên mẫu [41]. Nghiên cứ ảnh hưởu ng c a dung sai ch tủ ế ạo đến mômen đập mạch ởđộng cơ
PMSM rotor trong và phương pháp cán quay được đề xuất để chế tạo các mạch t ừ stator và rotor cải tiến [42]. Phương pháp phân tích tối ưu lệch rãnhstator để giảm
mômen đập mạch được đề xuất [43].
Wang và cộng sự. đề xuất một phương pháp kết hợp bao gồm phương pháp Taguchi, phương pháp luận b mề ặt ph n ả ứng và thuật toán di truyền để ối ưu hóa t
mômen đập mạch [44]. Để ạ hn chếmômen đập m ch cạ ủa máy PM đảo chiều từ thông, một khoảng tr ng nh ố ỏđược đưa vào giữa hai nam châm liền kề[45].
Một vài nghiên cứu đểnâng cao hiệu năng động cơ BLDC tải quạt gió (quạt trần)
cũng đã được đề cập trong những năm gần đây. Thực hiện thiết kếhình dạng cánh
quạt giống với hình dạng của cánh máy bayđể giảm tiêu thụnăng lượng [12].
Nghiên cứu đã chứng minh rằng, bằng cách sử dụng vật liệu nhẹhơn như thép tấm
mômen đập mạch với tốc độđộng cơ cũng đã chỉra,ở tốc độ thấp mô men đập mạch thể hiện rõ àng r còn ở tốc độcao, quán tính làm giảm tác dụng c a lủ ực đập mạch. Ảnh hưởng của hình dạng lõi stato đốr i với hi u suệ ất động cơ được th c hiự ện bởi [46] đã chỉ ra rằng cả lõi tròn và lõi tối ưu đề ốt hơn trong việc tăng hiệu t u suất
lên tới 90% so v i thiớ ế ết k lõi cơ bản.