Động cơ DC không chổi than là gì? Đặc điểm kỹ thuật, ưu nhược điểm và các thông số quan trọng

Ngày nay, có nhiều loại động cơ được con người sử dụng phổ biến. Các động cơ có khả năng chuyển đổi năng lượng điện trở thành năng lượng cơ học là một trong số đó. Đặc biệt là động cơ không chổi than có hiệu suất làm việc cao cũng như khả năng điều khiển tuyệt vời, nhờ đó mà nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Cùng tìm hiểu ngay về Động cơ không chổi than qua bài viết dưới đây nhé!

Động cơ DC không chổi than là gì?

Động cơ DC không chổi than (còn gọi là động cơ BLDC viết tắt của Brushless DC Motor) là động cơ điện đồng bộ được cấp nguồn bằng dòng điện một chiều. Như tên gọi của nó, động cơ DC không chổi than không hoạt động bằng chổi than mà bằng bộ điều khiển thông qua chuyển mạch điện tử.

Cấu tạo của động cơ DC không chổi than

Cấu tạo của động cơ DC không chổi than bao gồm:

– Stator: Gồm các lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện được ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của động cơ không chổi than có sự khác biệt so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường.

– Rotor: Rotor cũng tương tự như các động cơ có nam châm vĩnh cửu khác.

– Hall sensor: Vì đặc thù của sức phản điện động của động cơ BLDC có dạng hình thang dẫn tới cấu hình điều khiển thông thường của nó cũng cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor trong tương quan với các pha của cuộn dây stator. Để đạt được điều này, người ta hay sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall, có thể gọi tắt là Hall sensor.

Sơ đồ chi tiết của động cơ DC không chổi than

Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

Động cơ DC không chổi than được vận hành bằng hệ thống chuyển mạch điện tử sáu bước. Không giống như các động cơ DC có chổi than tương tự, động cơ DC không chổi than không chứa bất kỳ chổi than nào. Thay vào đó, các nam châm điện bên trong động cơ vẫn đứng yên cùng với phần ứng trong khi các nam châm vĩnh cửu được bọc trong vỏ quay, tạo ra mô-men xoắn. Động cơ DC không chổi than là động cơ đồng bộ; cả stato và từ trường đều tạo ra cùng một tần số, do đó tránh được bất kỳ loại "trượt" nào mà hầu hết các động cơ cảm ứng đều mắc phải.

Chuyển mạch sáu bước là gì?

Chuyển mạch sáu bước là phương pháp chuyển mạch điện tử tiết kiệm chi phí do các thiết bị truyền động và phản hồi đơn giản và tương đối rẻ tiền. Trong chuyển mạch sáu bước, chỉ có hai trong số ba cuộn dây động cơ DC không chổi than được sử dụng cùng một lúc. Các bước tương đương với 60 độ điện, do đó sáu bước tạo ra một vòng quay 360 độ đầy đủ. Một vòng lặp 360 độ đầy đủ có thể kiểm soát dòng điện do thực tế là chỉ có một đường dẫn dòng điện. Chuyển mạch sáu bước thường hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và tần số chuyển mạch. Động cơ DC không chổi than sáu bước thường có hiệu suất mô-men xoắn thấp hơn động cơ chuyển mạch sóng sin.

Động cơ DC không chổi than được điều khiển như thế nào?

Bộ điều khiển DC không chổi than điện tử thay thế hệ thống chuyển mạch cơ học được sử dụng bởi động cơ DC chổi than và được hầu hết các động cơ DC không chổi than yêu cầu để hoạt động. Trong bộ điều khiển động cơ DC không chổi than, cảm biến hiệu ứng Hall hoặc EMF ngược (lực điện động) được sử dụng để xác định vị trí của rôto. Tốc độ rôto được điều khiển bằng điều chế độ rộng xung PWM. Hiểu được hướng của rôto là rất quan trọng để vận hành động cơ DC không chổi than.

Cảm biến hiệu ứng Hall là gì?

Có ba cảm biến hiệu ứng Hall bên trong động cơ DC không chổi than giúp phát hiện vị trí của rôto. Cảm biến hiệu ứng Hall là một công tắc được thiết kế để phát hiện từ trường và đưa ra mức logic. Cảm biến hiệu ứng Hall thường được sử dụng thay cho bộ chuyển mạch cơ học và chổi than. Các cảm biến được đặt cách nhau một góc nhất định để cung cấp phản hồi cảm biến của từ trường nhằm chuyển mạch đúng ba pha của động cơ. Chúng cũng được sử dụng để phát hiện tốc độ và định vị.

Back EMF là gì?

Back EMF, còn được gọi là lực điện động ngược, được tạo ra bởi trường điện từ thay đổi trong các cuộn dây phần ứng của động cơ DC không chổi than. Nói cách khác, điện áp được tạo ra trong cuộn cảm bởi dòng điện xoay chiều hoặc xung do từ trường quay gây ra. Bạn có thể tận dụng back EMF để chuyển mạch các cuộn dây của động cơ. Phương pháp này thường được sử dụng để đo vị trí và tốc độ của động cơ DC không chổi than một cách gián tiếp. Một nhược điểm của back EMF là nó rất nhỏ và khó đo ở tốc độ thấp, dẫn đến hoạt động không hiệu quả. Khi động cơ đứng yên, không tạo ra back EMF, do đó quá trình khởi động bị ảnh hưởng do hoạt động mà không có phản hồi back EMF.

Cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa để đảm bảo back EMF không gây tích tụ năng lượng trên thanh ray điện của trình điều khiển. Nếu điện áp tăng lên trên mức định mức, các thành phần của động cơ sẽ bị hỏng.

PWM là gì?

PWM, hay điều chế độ rộng xung, có thể được sử dụng để kiểm soát điện áp trung bình trên các cuộn dây, từ đó kiểm soát tốc độ của động cơ DC không chổi than. Bộ điều khiển PWM bật và tắt điện áp đầu vào và thay đổi chu kỳ nhiệm vụ. Tốc độ được kiểm soát bằng cách thay đổi thời gian của các xung. Xung càng "bật" lâu thì động cơ sẽ quay càng nhanh.

Bộ mã hóa - Encoder cũng có thể được thêm vào động cơ DC không chổi than, cho phép xác định cả hướng và tốc độ. Các ứng dụng chính xác hơn có thể sử dụng bộ mã hóa quang học với tín hiệu chỉ số thứ ba để xác định xung trên mỗi vòng quay.

Ưu điểm của động cơ không chổi than

Do được kích từ nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor, động cơ không chổi than motor có nhiều ưu điểm như:

Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.
Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện tương đối cao.
Tỷ lệ momen quán tính lớn (khả năng tăng gia tốc rất nhanh chóng).
Vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao.
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong một khoảng thời gian ngắn.
Hiệu suất cao.
Kết cấu gọn.
Hiệu quả của những động cơ thường chỉ đạt 70~75% trong khi hiệu suất của động cơ không chổi than có thể lên tới 90%.
Động cơ không chổi than có khả năng kiểm soát tốc độ tốt hơn, thích hợp cho những ứng dụng tốc độ cao (trên 10.000r/min).
Động cơ không chổi than sẽ giúp người dùng tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế bàn chải và vành trượt.

Nhược điểm của động cơ không chổi than

Motor không chổi than được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu và cảm biến Hall để điều khiển tốc độ và momen động cơ chính xác nên có giá thành tương đối cao. Tuy nhiên, với xu hướng sử dụng động cơ không chổi than tăng mạnh nên giá thành cũng có xu hướng tăng.

Ứng dụng của động cơ brushless

Động cơ brushless DC có những ứng dụng chính như:

- Ứng dụng tải trọng trong biến đổi: Được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, Dryer, máy nén khí.

- Vị trí các ứng dụng: Kiểm soát trong công nghiệp và các ứng dụng điều khiển tự động.

- Brushless motor cũng đang được sử dụng để vận hành máy hút chân không. Ở một số trường hợp, sự thay đổi trong việc thiết lập chương trình điều khiển sẽ dẫn tới một bước đột phá lớn về tốc độ quay. Đây chính là một ví dụ về khả năng điều khiển bậc nhất của các động cơ này.

- Động cơ không chổi than còn được sử dụng để tiến hành quay ổ đĩa cứng. Vì độ bền của chúng sẽ giúp cho ổ đĩa hoạt động bền bỉ hơn trong suốt một thời gian dài. Đồng thời, hiệu suất năng lượng của động cơ còn góp phần giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.

Chi phí của động cơ DC không chổi than đã giảm kể từ khi ra mắt, do những tiến bộ về vật liệu và thiết kế. Sự giảm giá này, cùng với nhiều ưu điểm so với động cơ DC chổi than, khiến động cơ DC không chổi than trở thành một thành phần phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau.