BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
ISO 9001:2008
TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NAM
CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CHỔI THAN.
NÊU ĐỊA CHỈ ỨNG DỤNG.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÒNG – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
ISO 9001:2008
TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU NAM
CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CHỔI THAN.
NÊU ĐỊAC CHỈ ỨNG DỤNG.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Nguyễn Nam Sơn
Ngƣời hƣớng dẫn: GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn
HẢI PHÒNG – 2017
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên : Nguyễn Nam Sơn – MSV : 1312102020
Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp
Tên đề tài : Tìm hiểu động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu
không chổi than. Nêu địa chỉ ứng dụng
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (
về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp………………………………………………………………..:
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hƣớng dẫn :
Thân Ngọc Hoàn
Giáo sƣ – Tiến sĩ Khoa Học
Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Toàn bộ đề tài
Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hƣớng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày tháng năm 2017.
Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày……tháng…….năm 2017
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Sinh viên
Nguyễn Nam Sơn
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hƣớng dẫn Đ.T.T.N
GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn
Hải Phòng, ngày……..tháng……..năm 2017
HIỆU TRƢỞNG
GS.TS.NGƢT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng,
chất lƣợng các bản vẽ..)
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Cán bộ hƣớng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số
liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng
thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Ngƣời chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………………………. 8
CHƢƠNG 1.
……………………………………………………………………………………….. 2
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG
CHỔI THAN (BLDC)
…………………………………………………………………………. 2
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC. ……………………………………………. 2
1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC. …………………………………………………….. 6
1.2.1. Cấu tạo stator của động cơ BLDC. …………………………………………. 8
1.2.2. Cấu tạo rotor của động cơ BLDC. ………………………………………… 10
1.2.3. Cảm biến vị trí rotor.
…………………………………………………………… 11
1.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (Electroniccommutator). ………….. 15
1.2.5. Sức phản điện động.
……………………………………………………………. 15
CHƢƠNG 2.
……………………………………………………………………………………… 17
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, MÔ HÌNH TOÁN VÀ PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC ………………………………………………………. 17
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC. ……………….. 17
2.1.1. Nguyên lý hoạt động. …………………………………………………………. 17
2.1.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC
………………. 19
2.2. MÔ HÌNH TOÁN, PHƢƠNG TRÌNH SỨC ĐIỆN ĐỘNG VÀ MÔ
MEN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC.
…………………………………………………………. 20
2.2.1. Mô hình toán của động cơ BLDC. ………………………………………… 30
2.2.2. Phƣơng trình sức điện động và mô men. ……………………………….. 24
2.2.3. Phƣơng trình động học của động cơ BLDC.
…………………………… 29
2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐỘNG CƠ
BLDC. …………………………………………………………………………………………… 30
2.3.1. Phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí.
………………………………………………………………………………………………….. 30
2.3.2. Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless
control). ……………………………………………………………………………………… 43
2.4. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC. ………………………………… 44
2.4.1. Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng vòng khép kín.
…………… 44
2.4.2. Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng phƣơng pháp PWM.
…… 46
CHƢƠNG 3.
……………………………………………………………………………………… 47
CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BLDC VÀ ỨNG
DỤNG CỦA BLDC …………………………………………………………………………… 47
3.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ
BLDC. …………………………………………………………………………………………… 47
3.1.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính). ……… 47
3.1.2. Truyên động cơ đảo chiều (truyền động hai cực tính).
…………….. 48
3.2. ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC
………………………………………… 49
3.2.1. Lĩnh vực hệ thống điều khiển chuyển động.
…………………………… 49
3.2.2. Ứng dụng trong giao thông vận tải. ………………………………………. 50
3.2.3. Ứng dụng trong mô hình, giải trí. …………………………………………. 51
3.2.4. Ứng dụng làm các thiết bị dân dụng, thiết bị văn phòng. …………. 52
3.2.5. Ứng dụng trong các hệ thống sƣởi ấm và thông gió.
……………….. 54
3.2.6. Ứng dụng trong kỹ thuật công nghiệp. ………………………………….. 55
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………. 58
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ đáp
ứng yêu cầu đặt ra trong tất cả các lĩnh vực. Trong công cuộc công nghiệp
hóa đất nƣớc, yêu cầu tự động hóa trong sản xuất ngày càng cao, điều khiển
linh hoạt, gọn nhẹ và hiệu suất sản xuất cao. Mặt khác, với công nghệ
thông tin và công nghệ điện tử phát triển ngày càng cao và nhu cầu con
ngƣời ngày càng đòi hỏi những sảm phẩm sản xuất ra đạt độ chính xác và
độ thẩm mỹ cao.
Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than là loại động
cơ có rất nhiều ƣu điểm nên hiện nay đã đƣợc sử dụng rộng rãi nhất là
trong các hệ thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy và trong các điều
kiện môi trƣờng làm việc đặc biệt. Do không sử dụng cơ cấu đảo chiều
dòng điện cổ góp-chổi than nhƣ các động cơ một chiều truyền thống nên
loại động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một
chiều thông thƣờng. Trong thời gian học tập tại trƣờng Đại Học Dân Lập
Hải Phòng, với sự giúp đỡ, chỉ bảo của nhà trƣờng và các thầy cô trong
khoa Điện-Điện tử, em đã đƣợc nhận đề tài tốt nghiệp là “ Tìm hiểu động
cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than, nêu địa chỉ
ứng dụng ”. dƣới sự hƣớng dẫn của GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn
Đồ án gồm có các nội dung sau:
Chƣơng 1: Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than.
Chƣơng 2: Nguyên lý hoạt động, mô hình toán và các phƣơng pháp
điều khiển động cơ BLDC.
Chƣơng 3: Các hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC và ứng dụng
của động cơ BLDC.
2
CHƢƠNG 1.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NAM CHÂM VĨNH
CỬU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC)
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC.
Hình 1.1: Động cơ mọt chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than
Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ
lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài
W đến vài chục W) nhƣ trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính
các nhân, thiết bị văn phòng (máy in , scan…). Trong các ứng dụng đó
mạch điều khiển đƣợc chế tạo đơn giản và có độ tin cậy cao.
Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, công nghệ chế tạo vật
liệu làm nam châm vĩnh cửu cũng có những bƣớc tiến lớn, đã làm cho
những ƣu điểm của các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ BLDC
so với động cơ một chiều có cổ góp-chổi than hay động cơ dị bộ trở lên rõ
rệt hơn, đặc biệt là ở các hệ thống truyền động di động sử dụng nguồn điện
một chiều độc lập từ ắc qui, pin hay năng lƣợng mặt trời. Trong đó không
thể không nhắc đến là các hệ truyền động xe kéo trên xe điện với công suất
3
từ vài chục đến 100kW. Trong công nghiệp, chúng còn đƣợc sử dụng rộng
rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dƣới 10kW.
Mặc dù đƣợc gọi là động cơ một chiều nhƣng thực chất động cơ
BLDC thuộc loại động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu,
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ
(tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trƣờng quay) có phần cảm là nam
châm vĩnh cửu.
Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang. Chính sức phản
điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để xác định
một động cơ BLDC. Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứng nhƣ các
động cơ một chiều thông thƣờng sử dụng chổi than-cổ góp thì động cơ
BLDC sử dụng chuyển mạch điện từ. Do đó các cuộn dây phần ứng đặt
trên stator nên dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây ra ngoài vỏ, cũng nhƣ sử
dụng các phƣơng pháp làm mát cƣỡng bức khác nếu cần. Vì vậy động cơ
BLDC có mật độ công suất lớn hơn động cơ một chiều truyền thống.
Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và động
cơ một chiều thông thƣờng là hoàn toàn giống nhau, nhƣng thực tế chúng
có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi nói về chức năng của
động cơ điện, không đƣợc bỏ qua ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều.
Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng một chiều ở đầu và thành dòng xoay
chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện xoay chiều này tới mỗi dây
quấn ở phần ứng của động cơ. Ở động cơ BLDC, ngƣời ta sử dụng các thiết
bị bán dẫn nhƣ transitor, MOSFET, IGBT…. để thực hiện đổi chiều khác
với động cơ một chiều thông thƣờng sử dụng cổ góp-chổi than.
Ƣu điểm của động cơ BLDC:
–
Đặc tính tốc độ/mô men tuyến tính.
–
Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.
4
–
Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có
tổn hao trên rotor.
–
Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí.
–
Không gây nhiễu khi hoạt động.
–
Dải tốc độ rộng.
–
Mật độ công suất lớn.
–
Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ
thấp (để đạt đƣợc điều khiển vị trí một cách chính xác).
–
Mô men điều khiển đƣợc ở vị trí bằng không.
–
Kết cấu gọn.
–
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.
Nhƣợc điểm của động cơ BLDC:
–
Do động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế
tạo có giá thành cao.
–
Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích
từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng
nhiệt độ.
Động cơ BLDC có những ƣu điểm vƣợt trội so với các động cơ một
chiều thông thƣờng. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ
hiện tại, ta thƣờng đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa
chúng. Bảng 1.1 so sánh hai loại động cơ này để thấy đƣợc sự giống và
khác nhau giữa hai động cơ từ đó có thể khẳng định chắc chắn hơn những
ƣu điểm nổi trội hơn của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không
chổi than.
5
Bảng 1.1: So sánh động cơ BLDC với ĐCMC thông thƣờng
Các thông
số so sánh
Động cơ một
chiều không
chổi than
Động cơ một
chiều thông
thƣờng
Ƣu điểm của BLDC so với
động cơ một chiều thông
thƣờng
Bộ chuyển
mạch
Đảo chiều
bằng điện tử
dựa trên thông
tin từ cảm
biến vị trí
rotor
Đảo chiều
dòng kiểu cơ
khí bằng chổi
than và cổ góp
BLDC sử dụng chuyển mạch
điện tử thay thế cho chuyển
mạch cơ
Hiệu suất
Cao
Trung bình
Điện áp rơi trên các linh kiện
điện tử nhỏ hơn điện áp rơi
trên chổi than
Bảo trì
Rất ít hoặc
không cần bảo
trì
Định kỳ
Không phải bảo trì chổi than,
cổ góp
Khả năng
tản nhiệt
Tốt hơn
Kém
Với BLDC, chỉ có các cuộn
dây phần ứng phát sinh nhiệt
khi làm việc. Ngoài ra, các
cuộn dây phần ứng đƣợc bố
trí ở stator cho phép tản nhiệt
tốt hơn qua vỏ động cơ.
Với động cơ một chiều thông
thƣờng, tổn hao nhiệt xuất
hiện ở cả dây quấn stator và
rotor. Ngoài ra việc tỏa nhiệt
của dây quấn rotor là khó
khăn hơn.
Tỷ số
công suất
ra / kích
cỡ (Output
power /
frame
size)
Cao
Trung bình
hoặc thấp
BLDC sử dụng các nam
châm vĩnh cửu bằng vật liệu
tiên tiến, không có tổn hao
trên rotor
Đặc tính
tốc độ /
moment
Bằng phẳng
Tƣơng đối
bằng phẳng
BLDC không có ma sát ở
chổi than làm giảm moment
6
Đáp ứng
động
Nhanh
Chậm
Moment quán tính của rotor
BLDC thƣờng nhỏ hơn so
với moment quán tính của
rotor động cơ một chiều
thông thƣờng
Dải điều
chỉnh tốc
độ
Cao
Thấp
BLDC không bị giới hạn tốc
độ về mặt cơ khí do chổi than
và cổ góp
Nhiễu
điện
Thấp
Cao
BLDC không có tia lửa điện
khi vận hành do không có
chổi than cổ góp, vì vậy ít
gây nhiễu hơn
Tuổi thọ
Cao
Thấp
Do BLDC không có chổi
than, cổ góp
1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC.
Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng
chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu cổ góp-chổi than để chuyển mạch
dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển
mạch tĩnh. Để làm đƣợc điều đó phần ứng cũng phải tĩnh. Nhƣ vậy, về mặt
kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống
có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên rotor và
phần ứng trên stator.
Cũng chính vì cấu tạo không có cơ cấu cổ góp-chổi than nên động cơ
BLDC mới có nhiều ƣu điểm hơn so với các động co một chiều thông
thƣờng nhƣ ta đã kể ra ở phần trên.
Cấu tạo của động cơ BLDC rất giống một loại động cơ xoay chiều đó
là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, Hình
1.1 minh họa cấu tạo của đông cơ BLDC ba pha điển hình.
7
Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC
Dây quấn stator tƣơng tự nhƣ dây quấn stator của động cơ xoay
chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm
khác biệt cơ bản của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi
than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài phƣơng tiện
để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu
điều khiển bộ chuyển mạch điện từ. Động cơ BLDC chính là sự kết hợp
của động cơ xoay chiều đồng bộ kích từ vĩnh cửu và bộ chuyển đổi chiều
điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor.
Việc xác địng vị trí rotor đƣợc thực hiện thông qua cảm biến vị trí,
hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) dùng cảm biến Hall, cũng có một
số động cơ sử dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính
thống và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, tuy nhiên động cơ BLDC
hai pha cũng đƣợc sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động
đơn giản.
8
1.2.1. Cấu tạo stator của động cơ BLDC.
Khác với động cơ một chiều truyền thống, stator của động cơ một
chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây
quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhƣng thƣờng là dây
quấn ba pha (hình 1.2). Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối
theo hình sao Y hoặc hình tam giác ∆.
Hình 1.3: Stator của động cơ BLDC
a) Cuộn dây đặt trong rãnh stator; b) Rãnh của stator
Stator của động cơ BLDC gồm các lá thép kỹ thuật điện mỏng xếp
chặt cùng với các cuộn dây đƣợc đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong
của stator. Kết cấu nhƣ vật trông giống nhƣ trong động cơ không đồng bộ.
Theo truyền thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống nhƣ cấu
tạo của các động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, khác với động cơ không
đồng bộ, các cuộn dây trên stator của động cơ BLDC đƣợc phân bố với mật
độ đều nhau dọc theo mặt trong của stator. Sự khác biệt này tạo nên sức
phản điện động dạng hình thang. Tùy thuộc vào số cuộn dây trên stator ta
có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tƣơng ứng có một cuộn
dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stator.Trong đó loại động cơ ba pha ba
cuộn dây đƣợc sử dụng phổ biến hơn cả. Trong động cơ một chiều truyền
thống, thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây phần ứng đƣợc
9
xác định một cách tự nhiên do kết cấu và sự bố trí phù hợp giữa các cặp
cực trên stator và cơ cấu cổ góp-chổi than. Động cơ BLDC không có cơ
cấu cổ góp-chổi than nên cần phải có các phần tử và phƣơng pháp để xác
địng đƣợc vị trí của rotor nhằm đƣa ra các tín hiệu điều khiển trình tự cấp
điện cho các cuộn dây pha trên stator cho phù hợp. Cũng chính vì sự khác
biệt trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây trên stator mà tên gọi
của động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ BLDC hình sin và động cơ
BLDC hình thang. Dòng điện pha của động cơ tƣơng ứng cũng có dạng
hình sin và hình thang. Điều này làm cho mô men của động cơ hình sin
phẳng hơn nhƣng giá thành lại đắt hơn do phải có thêm các bối dây nối liên
tục, còn động cơ hình thang lại rẻ hơn nhƣng đặc tính mô men lại có sự
nhấp nhô vì sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.
a) Sức điện động hình thang b) Sức điện động hình sin
Hình 1.4: Các dạng sức điện động của động cơ BLDC
Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động
cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V đƣợc dùng trong
máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ. Các động cơ trên 100V đƣợc
dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công
nghiệp.
10
1.2.2. Cấu tạo rotor của động cơ BLDC.
Rotor của động cơ BLDC
gồm có phần lõi bằng thép và các
nam châm vĩnh cửu đƣợc gắn trên
đó theo các cách khác nhau. Về cơ
bản có hai phƣơng pháp gắn các nam
châm vĩnh cửu trên lõi của rotor .
Hình 1.5: Rotor của động cơ BLDC
1. Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi
Các nam châm vĩnh cửu đƣợc gắn trên bề mặt lõi rotor. Kết cấu này
đơn giản trong chế tạo nhƣng không chắc chắn nên thƣờng đƣợc sử dụng
trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp.
Hình 1.6: Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi
2. Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi
Trong lõi rotor có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu
đƣợc chèn vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong việc chế tạo và lắp
ráp, đặc biệt là với công suất lớn, nhƣng lại rất chắc chắn và đƣợc sử dụng
trong các ứng dụng tốc độ cao.
11
Hình 1.7: Rotor có nam châm đặt ẩn bên trong lõi
Ở động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rotor tạo ra từ trƣờng
hƣớng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stator và rotor.
Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trƣờng trong rotor, chất liệu làm nam
châm thích hợp đƣợc chọn tƣơng ứng. Nam châm Ferrite thƣờng đƣợc sử
dụng, tuy giá thành rẻ nhƣng mật độ từ trƣờng thấp. Khi công nghệ phát
triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Trong khi đó các loại
nam châm đƣợc sản xuất từ các hợp kim đất hiếm. Vật liệu hợp kim đất
hiếm có mật độ từ trƣờng trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích
thƣớc của rotor nhƣng vẫn đạt đƣợc mô men tƣơng ứng. Do đó, với cùng
thể tích, mô men của rotor có nam châm làm từ vật liệu hợp kim luôn lớn
hơn nam châm làm từ Ferrite. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ
công suất lớn. Nam châm đƣợc sản xuất từ vật liệu hợp kim hiếm có giá
thành cao và thƣờng chỉ đƣợc sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao.
1.2.3. Cảm biến vị trí rotor.
Không giống nhƣ những động cơ một chiều thông thƣờng dùng cơ
cấu cổ góp- chổi than, chuyển mạch của động cơ một chiều nam châm vĩnh
cửu không chổi than đƣợc điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây của
stator sẽ đƣợc cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất.
12
Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator sẽ đƣợc cấp điện theo thứ tự.
Nhƣ chúng ta đã biết, đổi chiều dòng điện căn cứ vào vị trí của từ thông
rotor. Do đó vấn đề xác định đƣợc vị trí từ thông rotor là rất quan trọng để
ta biết đƣợc cuộn dây trên stator tiếp theo nào sẽ đƣợc cấp điện theo thứ tự
cấp điện. Để xác định vị trí từ thông rotor, ta dùng các thiết bị cảm biến
sau:
– Cảm biến Hall.
– Cảm biến từ trở MR (magnetoresistor sensor).
– Đèn LED hoặc transistor quang.
Hầu hết các động cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến đặt
ẩn bên trong stator, ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ.
Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm
biến, các cảm biến sẽ hoạt động, gửi các tín hiệu cao hoặc thấp tƣơng ứng
với khi cực Bắc (N) hoặc cực Nam (S) đi qua cảm biến.
1. Cảm biến Hall
Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall. Hiệu
ứng Hall đƣợc E.H.Hall tìm ra năm 1879 và đƣợc mô tả nhƣ sau: Khi một
dây dẫn đặt trong một từ trƣờng, từ trƣờng sẽ tác động một lực lên các điện
tích đang di chuyển trong dây dẫn điện và có khuynh hƣớng đẩy chúng
sang một bên của dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng
tấm mỏng. Sự tích tụ các điện tích ở một bên dây dẫn sẽ làm xuất hiện điện
áp giữa hai mặt của dây dẫn. Điện áp này có độ lớn tỉ lệ với cƣờng độ từ
trƣờng và cƣờng độ dòng điện qua dây dẫn.
Cảm biến vị trí rotor có nhiệm vụ cung cấp thông tin về vị trí của
rotor cho mạch điều khiển cấp điện cho các cuộn dây stator. Cần chú ý là
cảm biến Hall sẽ đƣợc gắn trên stator của BLDC chứ không phải đặt trên
rotor .
13
Hình 1.8: Mô hình phần tử cảm biến Hall
Ur = (Kh.I.B)/d
(1.1)
Việc gắn cảm biến Hall trên stator là một quá trình phức tạp và yêu
cầu độ chính xác cao. Việc lắp cảm biến Hall trên stator không chính xác sẽ
dẫn đến những sai số khi xác định vị trí của rotor. Để khắc phục điều này,
một số động cơ có thể đƣợc đặt thêm các nam châm phụ trên rotor để phục
vụ cho việc xác định vị trí rotor. Các nam châm phụ này đƣợc gắn nhƣ các
nam châm chính nhƣng nó nhỏ hơn và thƣờng đƣợc gắn trên phần trục
rotor nằm ngoài các cuộn dây stator để tiện cho việc hiệu chỉnh sau này.
Kết cấu nhƣ vậy giống nhƣ cơ cấu cổ góp-chổi than trong động cơ một
chiều truyền thống.
Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có hai cách đặt cảm biến này
trên stator. Các cảm biến Hall có thể đƣợc đặt dịch pha nhau các góc 600
hoặc 1200 tùy thuộc vào số đôi cực. Dựa vào điều này, các nhà sản xuất
động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch mà cần phải thực hiện trong
quá trình điều khiển động cơ.
Các cảm biến Hall cần đƣợc cấp nguồn để hoạt động. Điện áp cấp có
thê dao động từ 4V đến 24V. Yêu cầu dòng từ 5mA đến 15mA. Khi thiết
kế bộ điều khiển, cần chú ý đến đặc điểm kỹ thuật tƣơng ứng của từng loại
động cơ để biết chính xác điện áp và dòng điện của các cảm biến Hall đƣợc
14
dùng. Đầu ra của cảm biến Hall thƣờng là loại open-collector, vì thế cần có
điện trở treo ở phía bộ điều khiển. Nếu không có điện trở treo thì tín hiệu
mà chúng ta có đƣợc không phải là tín hiệu xung vuông mà là tín hiệu
nhiễu.
2. Bộ cảm biến từ trở MR
Từ thông sẽ làm thay đổi điện trở mạch, với phƣơng pháp này ta có
thể phát hiện chính xác vị trí của từ thông. Khi nam châm đến gần thành
phần cảm biến từ trở, điện trở của thành phần này sẽ bị thay đổi. Sự thay
đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ
giảm dần tới khi nam châm hoàn toàn vƣợt qua thành phần này. Điện trở
thay đổi đƣợc tính theo công thức:
R = U/(m.v)
(1.2)
Trong đó: R là điện trở thay đổi, m là mật độ hạt mang điện
v là vận tốc hạt mang điện
3. Dùng đèn LED transistor quang và màn chắn
Trên hình 1.8 là hệ thống xác định vị trí từ thông rotor dùng
transistor quang hay màn chắn.
Nguyên lý hoạt động: Một transistor PT1 ở trạng thái dẫn thì hai
transistor còn lại là PT2 và PT3 ở trạng thái tắc.
Hình 1.9: Thiết bị cảm biến vị trí rotor dùng transistor quang
15
Mạch điện tử công suất gồm 6 transistor (hình 1.9) đƣợc mắc thành
cầu đối xứng. Ba cuộn dây stator đƣợc nối tam giác. Trên rotor gắn mạch
tạo tín hiệu điều khiển động cơ.
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC đƣợc điều khiển bằng
transistor quang
1.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (Electroniccommutator).
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa
các cuộn dây pha theo thứ tự và vào những thời điểm nhất định. Quá trình
này gọi là quá trình chuyển mạch dòng điện.
Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng đƣợc bố
trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng thay thế bởi bộ
chuyển đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị
trí rotor.
Do cấu trúc của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi
than cần có cảm biến vị trí rotor. Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm
bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor
quay giống nhƣ cổ góp-chổi than của động cơ một chiều thông thƣờng.
1.2.5. Sức phản điện động.
Khi động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than quay,
mỗi cuộn dây tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động chống lại điện
áp nguồn cấp cho cuộn dây đó theo luật Lenz. Chiều của sức phản điện
16
động này ngƣợc chiều với điện áp cấp. Sức phản điện động phụ thuộc chủ
yếu vào ba yếu tố: Vận tốc góc của rotor, từ trƣờng sinh ra bởi nam châm
vĩnh cửu và số vòng trong mỗi cuộng dây trên stator.
EMF = E ≈ NlrB𝛚
(1.3)
Trong đó:
N là số vòng dây trên một pha
l là chiều dài rotor
r là bán kính trong của rotor
B là mật độ từ trƣờng rotor
𝛚 là vận tốc góc của động cơ
Trong động cơ BLDC từ trƣờng rotor và số vòng dây stator là hằng
số luôn không đổi. Chỉ có duy nhất vận tốc của rotor là làm thay đổi sức
phản điện động. Khi vận tốc của rotor tăng thì sức phản điện động cũng
tăng theo. Trong các tài liệu kỹ thuật của động cơ có đƣa ra hằng số sức
phản điện động có thể sử dụng để ƣớc lƣợng sức phản điện động tƣơng
ứng với một tốc độ nhất định.
