Động cơ không chổi than là gì? Nó hoạt động như thế nào, giải thích sơ đồ và loại DC

Động cơ không chổi than là gì?

Động cơ không chổi than là động cơ điện tạo ra lực quay thông qua từ trường chuyển mạch điện tử, loại bỏ chổi than vật lý và vòng cổ góp cơ học được sử dụng trong động cơ chổi than thông thường. Thay vì dựa vào các tiếp điểm điện trượt để chuyển hướng dòng điện qua cuộn dây rôto, động cơ không chổi than sử dụng bộ điều khiển điện tử chuyên dụng - bộ điều khiển tốc độ điện tử ESC hoặc trình điều khiển BLDC - để sắp xếp dòng điện qua cuộn dây stato đứng yên theo thời gian chính xác với vị trí rôto. Bản thân rôto mang nam châm vĩnh cửu và không có kết nối điện nào cả.

Sự thay đổi kiến ​​trúc này có ba hậu quả ngay lập tức. Đầu tiên, không có ma sát hoặc hồ quang của chổi than - nguồn nhiệt, hao mòn và mất hiệu suất chủ yếu trong các thiết kế chổi than. Thứ hai, cuộn dây sinh nhiệt nằm trên stato, tiếp xúc trực tiếp với vỏ động cơ và có thể được làm mát một cách thụ động hoặc chủ động; trong động cơ chổi than, nhiệt tích tụ bên trong rôto quay, nơi rất khó tiêu tan. Thứ ba, thời gian chuyển mạch có thể được tối ưu hóa trong phần mềm cho mọi điều kiện vận hành, cho phép động cơ chạy ở hiệu suất cao nhất trên phạm vi tải và vòng tua máy rộng. Động cơ không chổi than thường đạt hiệu suất 85–95% , so với 75–80% đối với các thiết kế có bề mặt chải tương đương.

Thuật ngữ "động cơ không chổi than" thường dùng để chỉ động cơ DC không chổi than (BLDC), được cấp nguồn bằng điện áp DC và sử dụng chuyển mạch điện tử để ước tính từ trường quay của động cơ xoay chiều. Động cơ AC không chổi than - bao gồm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) - hoạt động trên cùng một nguyên lý vật lý nhưng được điều khiển bởi dạng sóng AC hình sin thay vì chuyển mạch DC hình thang. Trong sử dụng hàng ngày, "động cơ không chổi than" và "động cơ BLDC" được sử dụng thay thế cho nhau trên các thiết bị điện tử tiêu dùng, dụng cụ điện, máy bay không người lái, xe điện và tự động hóa công nghiệp.

Sơ đồ của một Động cơ DC không chổi than : Cấu trúc bên trong

Để hiểu sơ đồ động cơ DC không chổi than đòi hỏi phải xác định năm thành phần chức năng: stato, rôto, nam châm vĩnh cửu, cảm biến hiệu ứng Hall và bộ điều khiển bên ngoài. Không giống như sơ đồ động cơ chổi than — thể hiện các chổi than ép vào một vòng cổ góp phân đoạn trên trục quay — sơ đồ BLDC hiển thị toàn bộ độ phức tạp về điện trên phần thân bên ngoài cố định, với một cụm nam châm đơn giản quay bên trong hoặc bên ngoài nó.

Stator (Cuộn dây cố định)

Stator là cấu trúc bên ngoài cố định của động cơ BLDC dẫn động (hoặc vòng trong của động cơ dẫn động). Nó bao gồm các lõi thép silicon nhiều lớp — được đóng dấu thành hình ngôi sao hoặc cực nổi — được quấn bằng các cuộn dây đồng được sắp xếp thành ba pha: Pha A, Pha B và Pha C. Ba pha này được kết nối theo cấu hình sao (Y), trong đó cả ba cuộn dây đều có chung một điểm trung tính hoặc theo cấu hình tam giác (Δ), trong đó các cuộn dây kết nối từ đầu đến cuối theo hình tam giác. Hệ thống dây điện hình sao phổ biến hơn trong động cơ BLDC vì nó tạo ra mô-men xoắn cao hơn ở tốc độ RPM thấp và đơn giản hóa việc thiết kế bộ điều khiển; hệ thống dây delta được ưu tiên trong đó ưu tiên công suất tốc độ cao tối đa.

Số lượng rãnh stato và cực rôto xác định đặc tính cơ bản của động cơ. Cấu hình 12 khe, 14 cực (phổ biến trong động cơ máy bay không người lái) tạo ra mô-men xoắn mượt mà với độ bám thấp. Thiết kế 9 khe, 12 cực phổ biến trong các dụng cụ điện vì sự cân bằng giữa mật độ mô-men xoắn và tính đơn giản trong sản xuất. Số lượng khe và cực cũng xác định tần số chu kỳ điện - động cơ 14 cực hoàn thành 7 chu kỳ điện trên mỗi vòng quay cơ học, nghĩa là bộ điều khiển của nó phải chuyển dòng điện nhanh hơn 7× trên mỗi vòng quay trục so với động cơ 2 cực ở cùng tốc độ RPM.

Rotor (Nam châm vĩnh cửu)

Trong động cơ BLDC bên trong — cấu hình tiêu chuẩn trong các dụng cụ điện, ổ cứng và hầu hết các động cơ công nghiệp — rôto nằm bên trong lỗ stato. Nó bao gồm một trục thép có nam châm vĩnh cửu được gắn trên hoặc nhúng vào bề mặt của nó. Rôto nam châm gắn trên bề mặt (SPM) chế tạo đơn giản hơn và chiếm ưu thế trong các thiết kế có chi phí thấp hơn; rôto nam châm vĩnh cửu bên trong (IPM) nhúng nam châm bên trong các lớp rôto, cho phép mô-men xoắn từ trở cao hơn và độ suy yếu từ thông tốt hơn trong phạm vi tốc độ mở rộng. Động cơ kéo của xe điện hầu như đều sử dụng thiết kế rôto IPM.

Động cơ BLDC vượt trội đảo ngược hình dạng này: cụm nam châm vĩnh cửu quay xung quanh bên ngoài của stato cố định. Điều này mang lại cho những người vượt trội cánh tay đòn lớn hơn để tạo mô-men xoắn và khiến chúng phù hợp một cách tự nhiên với các ứng dụng truyền động trực tiếp - cánh quạt của máy bay không người lái và động cơ trung tâm xe đạp điện gắn tải trực tiếp vào lớp vỏ quay bên ngoài, loại bỏ hộp số. Người vượt trội sản xuất mô-men xoắn cao hơn ở tốc độ RPM thấp hơn so với các thiết bị dẫn hướng tương đương, trong khi các thiết bị dẫn hướng quay nhanh hơn và phù hợp hơn với các ứng dụng hướng tới tốc độ cao.

Cảm biến hiệu ứng Hall

Hầu hết các động cơ BLDC bao gồm ba cảm biến hiệu ứng Hall được gắn trong stato với khoảng cách 120° (hoặc 60° trong một số cấu hình). Mỗi cảm biến phát hiện từ trường của nam châm rôto đi qua và phát ra tín hiệu nhị phân - cao hay thấp - tùy thuộc vào việc cực bắc hay cực nam có liền kề hay không. Ba cảm biến cùng nhau tạo ra mã vị trí 3 bit (ví dụ: 101, 001, 011, 010, 110, 100) quay vòng qua sáu trạng thái duy nhất trên mỗi chu kỳ điện, giúp bộ điều khiển có đủ độ phân giải vị trí để xác định pha stato nào sẽ cấp điện bất cứ lúc nào. Đây là cốt lõi của logic chuyển mạch của động cơ không chổi than: Đầu ra cảm biến Hall → bộ điều khiển giải mã vị trí rôto → chuyển cặp pha chính xác .

Động cơ BLDC không cảm biến hoàn toàn bỏ qua cảm biến Hall và thay vào đó phát hiện vị trí rôto bằng cách theo dõi EMF ngược (điện động lực) được tạo ra trong cuộn dây pha không mang điện khi nam châm rôto quét qua. Các thiết kế không có cảm biến đơn giản hơn, nhỏ gọn hơn và ít tốn kém hơn — chiếm ưu thế trong máy bay không người lái, quạt làm mát PC và các thiết bị — nhưng yêu cầu rôto phải quay trước khi phát hiện được EMF ngược. Đây là lý do tại sao động cơ không có cảm biến cần trình tự khởi động (chuyển mạch cưỡng bức vòng hở) trước khi chuyển sang theo dõi EMF ngược vòng kín và tại sao chúng có thể do dự hoặc không khởi động đáng tin cậy khi chịu tải nặng.

Động cơ không chổi than hoạt động như thế nào: Trình tự chuyển mạch

Nguyên lý hoạt động của động cơ không chổi than là lực hút và lực đẩy điện từ giữa nam châm điện có thể chuyển đổi của stato và nam châm vĩnh cửu cố định của rôto. Bộ điều khiển liên tục tạo ra từ trường quay trong stato bằng cách cấp điện cho các cuộn dây theo một trình tự cụ thể; nam châm vĩnh cửu của rôto đuổi theo từ trường quay này, chuyển đổi mômen từ thành chuyển động quay của trục cơ học.

Trong động cơ BLDC ba pha có chuyển mạch hình thang — phương pháp tiêu chuẩn dành cho động cơ được trang bị cảm biến Hall — chỉ có hai trong số ba pha được cấp điện bất kỳ lúc nào. Trình tự chuyển mạch sáu bước của bộ điều khiển hoạt động như sau:

1. Bước 1: Pha A dương, Pha B âm, Pha C tắt. Từ trường sinh ra sẽ kéo nam châm rôto gần nhất về phía cặp cực AB của stato.
2. Bước 2: Pha A dương, Pha C âm, Pha B tắt. Trường quay 60° bằng điện; rôto theo sau.
3. Bước 3: Pha B dương, Pha C âm, Pha A tắt. Trường quay thêm 60° nữa.
4. Bước 4: Pha B dương, Pha A âm, Pha C tắt. Vòng quay tiếp tục.
5. Bước 5: Pha C dương, Pha A âm, Pha B tắt.
6. Bước 6: Pha C dương, Pha B âm, Pha A tắt. Hoàn thành một chu trình điện đầy đủ; trình tự lặp lại.

Mỗi bước giữ trường năng lượng ở phía trước vị trí hiện tại của rôto một chút — giống như một củ cà rốt luôn ở phía trước rôto. Rôto không bao giờ bắt kịp vì ngay khi nó đến gần vị trí trường hiện tại, bộ điều khiển sẽ chuyển sang bước tiếp theo. Tốc độ được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp đặt vào cuộn dây , thường thông qua điều chế độ rộng xung (PWM) trên các công tắc phía cao của cầu biến tần ba pha của bộ điều khiển. Mô-men xoắn được điều khiển bởi cường độ dòng điện pha. Mối quan hệ giữa hai biến này — và sự tối ưu hóa thời gian thực của chúng — là điểm khác biệt giữa trình điều khiển BLDC cơ bản với hệ thống điều khiển hướng trường (FOC) phức tạp.

Điều khiển hướng trường và chuyển mạch hình thang

Chuyển mạch hình thang chuyển đổi đột ngột giữa sáu bước, tạo ra gợn sóng mô-men xoắn - một biến thể định kỳ trong mô-men xoắn đầu ra - ở tần số gấp sáu lần tần số điện. Ở tốc độ thấp, gợn sóng này tạo ra tiếng ồn và độ rung có thể nghe được; ở tốc độ cao nó trở nên không đáng kể. Điều khiển hướng trường (FOC), còn được gọi là điều khiển chuyển mạch hình sin hoặc điều khiển vectơ, áp dụng dòng điện hình sin biến đổi liên tục cho cả ba pha cùng một lúc, tạo ra từ trường quay trơn tru hoàn hảo. Kết quả là gợn sóng mô-men xoắn gần bằng 0, vận hành êm hơn và hiệu suất cao hơn 5–15% ở mức tải một phần. FOC yêu cầu nhiều sức mạnh tính toán hơn (bộ vi điều khiển DSP hoặc ARM Cortex chạy ở tốc độ hàng chục MHz) và cảm biến dòng điện chính xác trên cả ba pha, đó là lý do tại sao nó là tiêu chuẩn trong các dụng cụ điện cao cấp, xe điện và bộ truyền động servo công nghiệp nhưng ít phổ biến hơn trong các sản phẩm tiêu dùng nhạy cảm với chi phí.

Động cơ không chổi than và Động cơ có chổi than: Sự khác biệt về hiệu suất là vấn đề quan trọng

Sơ đồ động cơ điện không chổi than so với sơ đồ động cơ có chổi than cho thấy sự cân bằng cốt lõi: động cơ chổi than có khả năng tự chuyển mạch về mặt cơ học (thiết bị điện tử truyền động đơn giản hơn, chi phí hệ thống thấp hơn) trong khi động cơ không chổi than chuyển độ phức tạp sang bộ điều khiển và đổi lại đạt được lợi thế hiệu suất đáng kể.

Việc phóng điện từ chổi than đặc biệt gây ra hậu quả trong các ứng dụng mà EMI (nhiễu điện từ) là mối lo ngại — thiết bị y tế, thiết bị đo lường chính xác và hệ thống RF. Cổ góp của động cơ chổi than tạo ra nhiễu điện băng thông rộng trên phổ tần số có thể kết hợp với các mạch nhạy cảm gần đó. Ngược lại, động cơ không chổi than chỉ tạo ra tiếng ồn chuyển mạch ở tần sốPWM và các sóng hài của nó — một nguồn nhiễu có thể quản lý được, có thể dự đoán được và có thể được lọc bằng các thành phần triệt tiêu EMI tiêu chuẩn.

Thông số kỹ thuật chính trên Bảng dữ liệu động cơ DC không chổi than

Việc chọn động cơ DC không chổi than cho một ứng dụng đòi hỏi phải diễn giải một số thông số kỹ thuật phụ thuộc lẫn nhau không xuất hiện trên bảng dữ liệu động cơ chổi than. Việc hiểu rõ những số liệu này giúp ngăn ngừa việc áp dụng sai — đặc biệt là việc đánh giá thấp các yêu cầu của bộ điều khiển, đây là lỗi thông số kỹ thuật phổ biến nhất trong thiết kế hệ thống động cơ không chổi than.

• Xếp hạng KV (RPM/V) — Tốc độ không tải mà động cơ tạo ra trên mỗi volt DC ứng dụng, không cần chuyển đổi đơn vị. Một động cơ 1000KV ở 12V quay với tốc độ khoảng 12.000 vòng/phút khi không tải. KV cao hơn = nhanh hơn, mô-men xoắn thấp hơn; KV thấp hơn = chậm hơn, mô-men xoắn cao hơn. Động cơ đẩy của máy bay không người lái thường có công suất từ ​​300KV (đạo cụ lớn, chậm) đến 2.500KV (đạo cụ nhỏ, nhanh).
• Dòng điện liên tục và dòng điện cực đại (A) - Dòng điện liên tục là tải duy trì mà động cơ có thể xử lý mà không bị quá nhiệt; dòng điện cực đại là mức tối đa nhất thời trong quá trình tăng tốc hoặc dừng lại. Định mức dòng điện của bộ điều khiển phải vượt quá dòng điện cực đại của động cơ — kích thước ESC quá thấp sẽ gây ra lỗi FET khi tăng tốc mạnh.
• Điện trở pha (mΩ) - Điện trở cuộn dây giữa hai đầu cực bất kỳ. Điện trở thấp hơn có nghĩa là tổn thất đồng ít hơn (làm nóng I2R) ở một dòng điện nhất định, nhưng cũng có nghĩa là dòng điện dừng cao hơn có thể làm hỏng bộ điều khiển nếu không bị giới hạn dòng điện.
• Hằng số mô-men xoắn (Nm/A) — Mômen đầu ra được tạo ra trên mỗi ampe của dòng điện pha, liên hệ trực tiếp với KV theo quan hệ nghịch đảo Kt = 60/(2π × KV). Con số này xác định ứng dụng cần bao nhiêu dòng điện ở mức yêu cầu mô-men xoắn cực đại.
• Số cực — Bộ điều khiển yêu cầu tính toán tần số chuyển mạch chính xác. Động cơ 14 cực ở tốc độ 3.000 vòng/phút yêu cầu bộ điều khiển thực hiện 7 × 3.000/60 = 350 chu kỳ điện mỗi giây - tối thiểu 2.100 sự kiện chuyển đổi mỗi giây trong chuyển mạch hình thang.
• Có cảm biến và không cảm biến — Động cơ có bao gồm cảm biến hiệu ứng Hall hay không. Động cơ có cảm biến yêu cầu bộ điều khiển có đầu vào cảm biến Hall; động cơ không cảm biến cần một bộ điều khiển có chức năng phát hiện EMF ngược. Trộn lẫn những thứ này - chạy một động cơ có cảm biến trên bộ điều khiển không có cảm biến - dẫn đến khả năng khởi động không đáng tin cậy và khả năng khử từ.

Nơi sử dụng động cơ không chổi than: Ứng dụng theo ngành

Động cơ không chổi than đã thay thế thiết kế chổi than trên hầu hết mọi ứng dụng quan trọng về hiệu suất trong hai thập kỷ qua, do chi phí bộ điều khiển giảm và nhu cầu về khoảng thời gian bảo trì dài hơn cũng như mật độ công suất cao hơn.

Điện tử và Thiết bị tiêu dùng

Động cơ trục chính của ổ đĩa cứng là một trong những ứng dụng không chổi than đầu tiên trên thị trường đại chúng — yêu cầu về kiểm soát tốc độ chính xác và tuổi thọ lâu dài của trục chính HDD đã khiến cho động cơ chổi than trở nên không thực tế ngay từ đầu. Ngày nay, quạt làm mát PC, động cơ trống máy giặt, máy hút bụi robot và dụng cụ điện không dây đều sử dụng động cơ BLDC làm tiêu chuẩn. Máy khoan không dây cao cấp có động cơ không chổi than mang lại Thời gian chạy thêm 25–50% cho mỗi lần sạc so với loại chổi than tương đương có cùng điện áp, vì hiệu suất cao hơn sẽ chuyển đổi nhiều năng lượng pin hơn thành công hữu ích hơn là nhiệt.

Ứng dụng Drone và RC

Máy bay không người lái đa cánh quạt phụ thuộc hoàn toàn vào động cơ BLDC vượt trội - thường là động cơ ba pha, không cảm biến, truyền động trực tiếp - để tạo lực đẩy. Sự kết hợp giữa tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao, điều khiển tốc độ điện tử chính xác và không cần chổi than cần bảo trì khiến BLDC trở thành công nghệ đẩy khả thi duy nhất cho các UAV thương mại và tiêu dùng. Một động cơ máy bay không người lái đua FPV 5 inch điển hình (kích thước khung 2306, 2400KV) nặng dưới 35g và tạo ra lực đẩy hơn 1kg ở dòng điện cực đại — mật độ năng lượng mà động cơ chổi than không thể đạt tới.

Xe điện

Động cơ kéo EV chủ yếu có thiết kế BLDC (hoặc PMSM) nam châm vĩnh cửu bên trong, được điều khiển bởi bộ biến tần FOC lấy từ bộ pin điện áp cao. Động cơ phía sau của Tesla trong Model 3 là một thiết kế chuyển đổi từ trở, nhưng động cơ phía trước là PMSM - được chọn vì hiệu quả của nó trong toàn bộ phạm vi tốc độ khi lái xe trên đường cao tốc. BMW i3 và hầu hết các mẫu xe Hyundai/Kia EV đều sử dụng động cơ IPM BLDC. Công suất đầu ra cao nhất dao động từ 150kW trong xe điện nhỏ gọn đến hơn 500kW trong các ứng dụng hiệu suất, tất cả đều được quản lý bởi bộ biến tần ba pha cấp ô tô với độ chính xác chuyển mạch ở mức micro giây.

Tự động hóa công nghiệp và Robotics

Động cơ servo trong máy công cụ CNC, cánh tay robot và hệ thống băng tải hầu như không dùng chổi than — sự kết hợp giữa điều khiển FOC, bộ mã hóa độ phân giải cao và phản hồi vòng kín mang lại độ chính xác định vị trong phạm vi micron và khả năng điều chỉnh tốc độ trong khoảng 0,01% khi thay đổi tải. Trong môi trường có khí dễ nổ hoặc bụi mịn (chế biến ngũ cốc, nhà máy hóa chất, khai thác mỏ), động cơ không chổi than có vỏ kín giúp loại bỏ nguy cơ bắt lửa do chổi than phóng hồ quang, giúp chúng đủ điều kiện nhận chứng nhận vị trí nguy hiểm ATEX và IECEx mà động cơ chổi than không thể đáp ứng.