Trong ngành điều khiển chất lỏng thu nhỏ, động cơ không chổi than là nguồn năng lượng cốt lõi cho các thiết bị phổ thông, bao gồm máy bơm nước thu nhỏ và máy bơm chân không thu nhỏ. Van điện từ nhỏ phối hợp với động cơ để đạt được sự điều chỉnh dòng chảy tự động. Gần đây, nhiều người mua thiết bị đã tập trung vào hiệu suất BLDC; do đó, chúng tôi sắp tung ra một bài báo khoa học phổ biến được đăng nhiều kỳ để giải mã kiến thức cốt lõi về động cơ hiệu suất cao này.
Hiểu nguyên lý và ứng dụng của động cơ hiệu suất cao: Động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện cung cấp thành năng lượng cơ. Các loại động cơ điện được sử dụng rộng rãi. Trong số đó, động cơ DC không chổi than (BLDC) có hiệu suất cao và khả năng điều khiển tuyệt vời, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. So với các loại động cơ khác, động cơ BLDC có ưu điểm tiết kiệm năng lượng.
Động cơ điện là máy truyền tải điện.
Khi các kỹ sư đối mặt với thách thức thiết kế thiết bị điện để thực hiện các nhiệm vụ cơ học, họ có thể xem xét cách chuyển đổi tín hiệu điện thành năng lượng. Vì vậy, bộ truyền động và động cơ nằm trong số những thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành chuyển động. Động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
Động cơ điện đơn giản nhất là động cơ DC không chổi than. Trong loại động cơ này, dòng điện chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường cố định. Dòng điện tạo ra từ trường trong cuộn dây; điều này làm cho cụm cuộn dây quay khi mỗi cuộn dây bị đẩy ra khỏi cực của chính nó và bị kéo về phía một cực của từ trường cố định. Để duy trì chuyển động quay, dòng điện cần phải đảo chiều liên tục, khiến cực tính của cuộn dây liên tục đảo chiều, dẫn đến cuộn dây tiếp tục “đuổi theo” cực của từ trường đối diện. Nguồn điện cho cuộn dây được cung cấp bởi chổi dẫn điện cố định tiếp xúc với cổ góp quay; sự quay của cổ góp làm cho dòng điện chạy qua cuộn dây theo hướng ngược lại. Cổ góp và chổi than là những bộ phận chính giúp phân biệt động cơ DC có chổi than với các động cơ khác.
Hình 1 minh họa nguyên lý chung của động cơ DC có chổi than.
Hình 1 minh họa nguyên lý chung của động cơ DC có chổi than.
Hình 1: Hoạt động của động cơ DC có chổi than.
Các chổi than cố định cung cấp năng lượng điện cho cổ góp quay. Khi cổ góp quay, nó liên tục đảo chiều dòng điện chạy vào cuộn dây, do đó đảo ngược cực tính của cuộn dây và giữ cho chúng quay sang phải. Cổ góp quay vì nó được nối với một rôto trên đó các cuộn dây được gắn.
Các loại động cơ phổ biến
Động cơ khác nhau về loại công suất (AC hoặc DC) và phương pháp tạo vòng quay (Hình 2). Dưới đây chúng tôi giới thiệu sơ lược về đặc điểm và ứng dụng của từng loại.
Hình 2: Các loại động cơ khác nhau
Động cơ DC chổi than có thiết kế đơn giản, dễ điều khiển và được sử dụng rộng rãi để đóng mở khay đĩa. Trong ô tô, chúng thường được sử dụng để thu lại, mở rộng và định vị các cửa sổ bên chỉnh điện. Chi phí thấp của những động cơ này làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, một nhược điểm là chổi than và cổ góp có xu hướng mòn tương đối nhanh do tiếp xúc liên tục, cần phải thay thế và bảo dưỡng thường xuyên.
Động cơ bước được điều khiển bằng xung; đối với mỗi xung nhận được, nó sẽ quay theo một góc (bước) cụ thể. Do quá trình quay hoàn toàn được điều khiển bởi số lượng xung nhận được nên các động cơ này được sử dụng rộng rãi để điều chỉnh vị trí. Chúng thường được sử dụng để kiểm soát quá trình nạp giấy trong máy fax và máy in—vì các thiết bị này nạp giấy theo các bước cố định và các bước này dễ tương quan với số lượng xung. Điều khiển tạm dừng cũng dễ thực hiện vì động cơ quay dừng ngay lập tức khi tín hiệu xung bị gián đoạn.
Khi sử dụng động cơ đồng bộ, vòng quay được đồng bộ với tần số của dòng điện. Những động cơ này thường được sử dụng để dẫn động các khay quay trong lò vi sóng; các bánh răng giảm tốc trong bộ phận mô-tơ cung cấp tốc độ quay thích hợp để hâm nóng thức ăn. Động cơ cảm ứng có tốc độ quay thay đổi theo tần số nhưng chuyển động không đồng bộ. Trước đây, những động cơ này thường được sử dụng trong quạt điện và máy giặt.
Có nhiều loại động cơ thường được sử dụng; Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét những ưu điểm và ứng dụng của động cơ DC không chổi than.
Tại sao động cơ BLDC quay?
Đúng như tên gọi, động cơ DC không chổi than không sử dụng chổi than. Trong động cơ chổi than, chổi than truyền dòng điện đến cuộn dây trên rôto thông qua một bộ chuyển mạch. Vậy làm thế nào để động cơ không chổi than truyền dòng điện đến cuộn dây rôto? Không có—vì cuộn dây không được đặt trên rôto. Rôto là một nam châm vĩnh cửu; cuộn dây không quay mà được cố định vào stato. Vì cuộn dây không chuyển động nên không cần chổi than và cổ góp. (Xem Hình 3) Trong động cơ chổi than, chuyển động quay đạt được bằng cách điều khiển từ trường do cuộn dây trên rôto tạo ra, trong khi từ trường do nam châm đứng yên tạo ra không đổi. Để thay đổi tốc độ quay cần phải thay đổi điện áp trên các cuộn dây. Trong động cơ BLDC, nam châm vĩnh cửu quay; Sự quay đạt được bằng cách thay đổi hướng của trường điện từ được tạo ra bởi các cuộn dây cố định xung quanh. Để điều khiển chuyển động quay, cần phải điều chỉnh độ lớn và hướng của dòng điện chạy vào các cuộn dây này.
Hình 3: Động cơ BLDC.
Vì rôto là một nam châm vĩnh cửu nên nó không cần dòng điện, do đó loại bỏ sự cần thiết của chổi than và cổ góp. Dòng điện tới cuộn dây đứng yên được điều khiển từ bên ngoài.
Ưu điểm của động cơ BLDC
Một động cơ BLDC có ba cuộn dây trên stato sẽ có sáu dây (hai dây cho mỗi cuộn dây) kéo dài từ các cuộn dây này. Trong hầu hết các triển khai, ba trong số các dây này sẽ được kết nối bên trong, ba dây còn lại kéo dài từ thân động cơ (ngược lại với hai dây của động cơ chổi than được mô tả trước đó). Đấu dây bên trong vỏ động cơ BLDC phức tạp hơn việc chỉ kết nối cực dương và cực âm của bộ cấp nguồn; chúng ta sẽ xem xét hoạt động của những động cơ này chi tiết hơn trong Phần II của loạt bài này. Dưới đây, chúng tôi kết luận bằng cách hiểu được những ưu điểm của động cơ BLDC.
Một lợi thế đáng kể là hiệu quả, vì những động cơ này có thể hoạt động liên tục ở mô-men xoắn cực đại. Ngược lại, động cơ chổi than chỉ có thể đạt mô-men xoắn cực đại tại một số điểm quay nhất định. Để cung cấp mô-men xoắn tương tự như động cơ không chổi than, động cơ chổi than cần có nam châm lớn hơn. Đây là lý do tại sao ngay cả động cơ BLDC nhỏ cũng có thể cung cấp công suất đáng kể.
Ưu điểm lớn thứ hai liên quan đến ưu điểm thứ nhất là khả năng kiểm soát. Động cơ BLDC có thể được điều khiển thông qua cơ chế phản hồi, cung cấp chính xác mô-men xoắn và tốc độ cần thiết. Ngược lại, việc điều khiển chính xác sẽ giảm mức tiêu thụ năng lượng và sinh nhiệt, đồng thời—trong trường hợp động cơ chạy bằng pin—sẽ kéo dài tuổi thọ pin.
Vì không có chổi than nên động cơ BLDC còn có độ bền cao và ít tạo ra tiếng ồn điện. Với động cơ chổi than, chổi than và cổ góp bị mòn do tiếp xúc chuyển động liên tục, tạo ra tia lửa điện tại các điểm tiếp xúc. Đặc biệt, nhiễu điện là do các tia lửa mạnh dễ dàng tạo ra khi chổi than đi qua khe hở cổ góp. Đây là lý do tại sao động cơ BLDC thường được coi là lựa chọn tốt hơn trong các ứng dụng cần tránh nhiễu điện.
Ứng dụng lý tưởng của động cơ BLDC
Chúng ta đã thấy rằng động cơ BLDC mang lại hiệu suất và khả năng điều khiển cao, đồng thời chúng có tuổi thọ hoạt động lâu dài. Vậy công dụng của chúng là gì? Do hiệu quả và tuổi thọ của chúng, chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hoạt động liên tục. Chúng từ lâu đã được sử dụng trong máy giặt, máy điều hòa không khí và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác; gần đây hơn, chúng còn xuất hiện trong các quạt, nơi hiệu suất cao giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng.
Chúng cũng được sử dụng để lái máy hút chân không. Trong một trường hợp, sự thay đổi trong chương trình điều khiển đã dẫn đến tốc độ tăng vọt đáng kể—một ví dụ về khả năng điều khiển cao mà các động cơ này mang lại.
Động cơ BLDC cũng được sử dụng để điều khiển ổ đĩa cứng; độ bền của chúng cho phép các ổ đĩa hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài, đồng thời hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng trong một lĩnh vực ngày càng quan trọng.
Hướng tới các ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai
Chúng ta có thể mong đợi rằng trong tương lai, động cơ BLDC sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hơn. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng rộng rãi để điều khiển robot dịch vụ – những robot nhỏ cung cấp dịch vụ trong các lĩnh vực ngoài sản xuất. Người ta có thể nghĩ rằng động cơ bước phù hợp hơn với loại ứng dụng này vì xung có thể được sử dụng để điều khiển định vị chính xác. Tuy nhiên, động cơ BLDC phù hợp hơn cho việc điều khiển lực. Sử dụng động cơ bước, việc duy trì vị trí của các kết cấu như cánh tay robot đòi hỏi dòng điện tương đối lớn và liên tục. Với động cơ BLDC, dòng điện yêu cầu tỷ lệ thuận với ngoại lực, giúp điều khiển tiết kiệm năng lượng hơn. Động cơ BLDC cũng có thể thay thế động cơ DC có chổi than đơn giản trong xe chơi gôn và xe di động. Ngoài hiệu suất cao hơn, động cơ BLDC còn mang lại khả năng điều khiển chính xác hơn – từ đó có thể kéo dài tuổi thọ pin hơn nữa.
Động cơ BLDC cũng lý tưởng cho máy bay không người lái. Khả năng cung cấp khả năng điều khiển chính xác khiến chúng đặc biệt phù hợp với máy bay không người lái nhiều cánh quạt, cho phép kiểm soát chính xác tư thế của máy bay không người lái bằng cách kiểm soát tốc độ quay của từng cánh quạt.
