THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC RÔTO NGOÀI CÓ CÔNG SUẤT PĐM= 1000W

TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGOÀI 1.1 Giới thiệu động cơ BLDC Hình 1.1 Động cơ BLDC Động cơ một chiều thông thường Động cơ DC có hiệu suất cao và các đặc t

THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC

RÔTO NGOÀI CÓ CÔNG SUẤT P ĐM = 1000W

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Việt Anh Sinh viên 1 : Đoàn Hải Ngọc

Mã số sinh viên : 2019600567 Sinh viên 2 : Nguyễn Kim Đồng

Mã số sinh viên : 2019600102 Sinh viên 3 : Nguyễn Đình Ánh

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

2 Nguyễn Kim Đồng 2019600102 2019DHDIEN01 - ĐH K14

3 Đoàn Hải Ngọc 2019600567 2019DHDIEN01 - ĐH K14

3 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Anh

 Tính toán kích thước mạch từ, dây quấn stato, rôto

 Thuật toán thiết kế sơ bộ động cơ BLDC

 Kết quả tính toán giải tích

3 Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ BLDC trên phần mềm

4 Nội dung trình bày báo cáo ĐAMH theo đúng quy cách chung

(BM03-Quy định số 815/QĐ-ĐHCN, ngày 15 tháng 8 năm 2019)

B Bản vẽ kỹ thuật

1 Sơ đồ hình trải dây quấn stato A4 01

2 Bản vẽ hình dạng lá thép và mạch

từ stato, hình dạng nam châm rôto A4 01

Ngày giao đề tài: 04/7/2022 Ngày hoàn thành: 22/8/2022

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Việt Anh

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rôto

Yêu cầu thực hiện:

5 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than

6 Tính toán, thiết kế:

 Tính toán kích thước mạch từ, dây quấn stato, rôto

 Thuật toán thiết kế sơ bộ động cơ BLDC

 Kết quả tính toán giải tích

7 Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ BLDC trên phần mềm

2 Hoạt động của sinh viên

2.1 Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi

than

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Kiến thức về thiết kế máy điện đặc biệt

2.2 Hoạt động/Nội dung 2: Tính toán, thiết kế động cơ một chiều không chổi

than

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng được quy trình thiết kế động cơ một chiều không chổi than, cách tính toán mạch từ, dây quấn và nam châm rôto

2.3 Hoạt động Nội dung 3: Mô phỏng kết quả tính toán, thiết kế trên phần

1 Hoàn thành ĐAMH theo đúng thời gian quy định (từ ngày 04/7/2022 đến

ngày 22/8/2022)

2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao, trước giảng viên và những sinh viên khác

IV Học liệu thực hiện ĐAMH

1 Tài liệu học tập: Thiết kế máy điện (Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh… ); Máy điện đặc biệt (Nguyễn Trọng Thắng);) SPEED’s Electric

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện ĐAMH (nếu có): Máy tính cá nhân, bản

vẽ

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC

1 Tên lớp: 20214EE6023001

2 Họ và tên sinh viên: Nhóm 4

3 Tiến độ thực hiện: Thiết kế động cơ một chiều không chổi than, rôto bên ngoài

Ngày 04 tháng 7 năm 2022

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS Nguyễn Việt Anh

Người thực hiện Nội dung công việc Phương pháp thực hiện

một chiều không chổi than

Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo

Nguyễn Đình Ánh

Đoàn Hải Ngọc

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán kích thước mạch từ, dây quấn stato, rôto

Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo

Đoàn Hải Ngọc

Nguyễn Kim Đồng

Chương 2: Tính toán, thiết kế

BLDC

Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo

Đoàn Hải Ngọc

Nguyễn Đình Ánh

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Kết quả tính toán giải tích

Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo

Tìm hiểu tài liệu, nhập số liệu kỹ thuật cho chương trình, theo dõi quá trình chạy phần mềm và xuất

(BM02)

Tên chủ đề: Thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC, rôto bên ngoài

Ngày 04 tháng 7 năm 2022

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS.Nguyễn Việt Anh

Người thực hiện Nội dung công việc Kết quả đạt

được

Kiến nghị với GVHD

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Thuật toán thiết kế sơ bộ động cơ BLDC

Bản báo cáo

Đoàn Hải Ngọc

Nguyễn Đình Ánh

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Kết quả tính toán giải tích

- Xác định kết quả và so sánh giải tích

1

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGOÀI 6

1.1 Giới thiệu động cơ BLDC 6

1.2 Cấu tạo động cơ BLDC 9

1.2.1 Startor 10

1.2.2 Rotor 11

1.2.3 Cảm biến vị trí Hall Sensor 12

1.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) 14

1.3 Nguyên lý hoạt động của BLDC 14

1.4 Các hệ truyền động điện dùng động cơ BLDC 15

1.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động 1 cực tính) 15

1.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động 2 cực tính) 17

1.5 Một số đặc điểm về điện của động cơ BLDC 17

1.5.1 Mô-men điện từ 17

1.1.1 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC 18

1.5.2 Sức phản điện động 18

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGOÀI 19

2.1 Thông số động cơ 19

2.2 Tính toán thiết kế 22

2.2.1 Đường kính trong stato là 24

2.2.2 Đường kính rôto có nam châm 27

2.2.3 Hệ số từ thẩm 28

2.2.4 Từ trường khe hở không khí 28

2.2.5 Kiểu đấu dây 29

2.2.6 Kích thước răng, gông stato 31

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ BLDC 33

3.1 Giới thiệu phần mềm 33

3.1.1 RMxprt 34

2

3.1.2 Maxwell 3D/2D 34

3.2 Mô phỏng động cơ một chiều không chổi than BLDC 1000W sử dụng phần mềm RMxprt và Maxwell 2D 34

3.3 Đồ thị trong RMxprt 40

3.3.1 Mô hình động cơ 44

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động cơ BLDC 6

Hình 1.2 Cấu tạo của 2 loại động cơ 1 chiều 7

Hình 1.3 Động cơ một chiều (a) Động cơ DC (B) Động cơ BLDC 7

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ 9

Hình 1.5 Stator của động cơ BLDC 10

Hình 1.6 Hai dạng sóng của sức điện động (a) Hình thang (b) Hình sin 11

Hình 1.7 Các loại rotor trong động cơ BLDC 11

Hình 1.8 Hiệu ứng Hall 13

Hình 1.9 Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang 13

Hình 1.10 Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây của stator 15

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ BLDC 15

Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator 16

Hình 1.13 Chuyển mạch 2 cực tính của động cơ BLDC 17

Hình 1.14 Đặc tính của động cơ BLDC (a) Đặc tính làm việc và (b) Đặc tính cơ 18

Hình 2.1 Dạng hình học của mạch từ 22

Hình 2.2 Đường sức từ trong rãnh (a) và phân chia hình học (b) 25

Hình 2.3 Giá trị hệ số carter với tỉ số độ rộng miệng rãnh và bước rãnh 26

Hình 2.4 Một số thù hình nam châm vĩnh cửu trong động cơ 27

Hình 2.5 Khe hở không khí giữa stato và rôto trong động cơ BLDC 27

Hình 2.6 Kiểu rãnh stato hình thang 31

Hình 3.1 Đồ thị dòng điện theo tốc độ 40

Hình 3.2 Hiệu suất động cơ theo tốc độ đầu trục 40

Hình 3.3 Đặc tính mômen theo tốc độ đầu trục 41

Hình 3.4 Công suất đầu ra theo tốc độ đầu trục 41

Hình 3.5 Mômen đập mạch 42

Hình 3.6 Mật độ từ thông khe hở không khí 42

Hình 3.7 Dòng điện khi mang tải 43

Hình 3.8 Điện áp khi mang tải 43

Hình 3.9 Sức phản điện động ở chế độ định mức 44

Hình 3.10 Động cơ BLDC nhìn dọc trục động cơ 44

Hình 3.11 Mô hình cuộn dây (a), mô hình nam châm vĩnh cửu (b) 45

Hình 3.12 Stator và lắp cuộn dây 45

Hình 3.13 Rotor và hình dạng lá thép 45

4

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC 8

Bảng 2.1 Ký hiệu và ý nghĩa thông số 19

Bảng 2.2 Thông số động cơ 21

Bảng 2.3 Hệ số điện cơ TRV 23

Bảng 2.4 Bảng giá trị kích thước răng, gông stato 32

Bảng 3.1 Xuất số liệu 34

5

LỜI NÓI ĐẦU

Máy điện là một loại hệ điện từ gồm có mạch từ và mạch điện liên quan với nhau Mạch từ gồm các bộ phận dẫn từ và khe hở không khí Mạch điện gồm hai hoặc nhiều dây quấn có thể chuyển động tương đối với nhau cùng bộ phận mang chúng Máy biến áp là một hệ thống biến đổi cảm ứng điện từ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành dòng điện xoay chiều có điện áp khác Các dây quấn và mạch từ của nó đứng yên và quá trình biến đổi từ trường để sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quán thực hiện bằng phương pháp điện

Mặt khác, máy biến áp nó còn có vai trong quan trọng trong nền kinh

tế quốc dân như trong công nghiệp, nôn nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển…

Nên việc tính toán không khỏi thiếu sót Mong các thầy, cô cho nhận

xét để đồ án này được hoàn thiện hơn Em xin cảm ơn thầy TS.NGUYỄN VIỆT ANH đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em để hoàn thành tốt bài

tập này và em được học hỏi nhiều vấn đề về máy biến áp trong thời gian khai thác

Xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 04 tháng 07 năm 2022

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI

THAN BLDC, ROTOR NGOÀI 1.1 Giới thiệu động cơ BLDC

Hình 1.1 Động cơ BLDC

Động cơ một chiều thông thường (Động cơ DC) có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy

nổ, người sử dụng phải bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên do các thiết bị dễ

bị bào mòn Để tránh những nhược điểm đó, động cơ một chiều không chổi than ra đời khắc phục những nhược điểm của động cơ một chiều thông thường Động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là Brushless DC Motor (động cơ BLDC)

Về cơ bản động cơ BLDC thực chất là động cơ một chiều có hệ thống đảo chiều dòng điện bán dẫn, sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí Rotor để quyết định việc chuyển mạch Thông thường, việc xác định vị trí của Rotor có thể thực hiện bằng cảm biến Hall hoặc encoder Động cơ BLDC hiện nay đang rất được quan tâm trong các ứng dụng điều chỉnh tốc độ, điều khiển vị trí chính xác

1 Trục Rotor

2 Nam châm vĩnh cửu

3 Nam châm

4 Cuộn dây

Hình 1.2 Cấu tạo của 2 loại động cơ 1 chiều

So sánh động cơ BLDC với động cơ DC

(a) Động cơ DC (b) Động cơ BLDC

Hình 1.3 Động cơ một chiều (a) Động cơ DC (B) Động cơ BLDC

Động cơ DC và động cơ BLDC có những khác biệt khá lớn Bảng 1.1

so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này Sẽ giúp cho người sử dụng thấy rõ sự khác biệt về hai loại động cơ này

Đảo chiều dòng kiểu cơ khí bằng chổi than và cổ góp

Động cơ 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

động cơ BLDC thường nhỏ hơn

so với mô mem quán tính của rotor động cơ một chiều thông thường

lửa điện khi vận hành do không

có chổi than, cổ góp vì vậy ít gây nhiễu hơn

chổi than, cổ góp

Điều khiển Phức tạp Đơn giản Động cơ BLDC có cảm biến

Hall trả giá trị về để điều khiển các van

nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao

1.2 Cấu tạo động cơ BLDC

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ

Động cơ BLDC (Brushless DC) hay còn có tên khác động cơ không chổi than là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Thực chất động

cơ BLDC không phải là động cơ một chiều mà động cơ xoay chiều đồng bộ

do động cơ thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm

Động cơ BLDC được điều khiển thông qua các cảm biến để xác định vị trí của Rotor nhằm tạo ra các tín hiệu đưa về bộ chuyển đổi để điều khiển phần ứng Động cơ BLDC có các cảm biến có thể thay đổi chiều quay của động cơ theo vị trí của Rotor

Việc xác định vị trí Rotor được thực hiện thông qua các cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí Rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên 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, động cơ BLDC hai pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản

10

1.2.1 Startor

Stator: từ tiếng Anh (gốc từ stationary: đứng yên) chỉ phần đứng yên, phần đứng, phần không chuyển động của một hệ thống máy quay, là phần ngược lại của Rotor

Khác với động cơ một chiều thông thường, Stator của động cơ BLDC chứa dây quấn phần ứng

Hình 1.5 Stator của động cơ BLDC

Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của Stator Theo truyền thống cấu tạo Stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác

Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây Stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính

vì sự khác nhau này 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 tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang Điều này làm cho mô-men của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tính mô-men lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn

11

Hình 1.6 Hai dạng sóng của sức điện động (a) Hình thang (b) Hình sin

BLDC thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha tương ứng với các loại đó thì Stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 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 được dùng trong máy tự động, Robot, những chuyển động nhỏ các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp

1.2.2 Rotor

Hình 1.7 Các loại rotor trong động cơ BLDC

Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt Rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của Rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng

12

Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau Về cơ bản thì Rotor không có gì khác so với các loại động cơ nam châm vĩnh cửu khác

Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong Rotor, chất liệu nam châm thích hợp được chọn tương ứng và trong thực tế nam châm Ferrite thường được sử dụng Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến Nam châm Ferrite giá thành rẻ hơn nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp Trong khi đó, vật liệu hợp kim có mật

độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của Rotor nhưng vẫn đạt được mô-men tương tự Do đó, với cùng thể tích, mô-men của Rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn Rotor nam châm Ferrite

1.2.3 Cảm biến vị trí Hall Sensor

Không giống như Động cơ DC, chuyển động của động cơ BLDC được điều khiển bằng điện từ tức là các cuộn dây của Stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ làm việc, cuộn dây của Stator được cấp điện theo thứ tự pha Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí của Rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điều quan trọng là cần phải xác định vị trí của Rotor và cuộn dây Stator nào tiếp theo sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện Vị trí của Rotor được xác định bởi các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong Stator Hầu hết tất cả các động cơ BLDC đều có cảm biến Hall 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 Hall, các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu mức 0 hoặc mức 1 ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ

3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường

13

sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo

hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn Số lượng các điện tích bị đẩy về

một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường Điều này dẫn

đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn Sự xuất hiện của

hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên

người tìm ra nó vào năm 1879

Hình 1.8 Hiệu ứng Hall

Hình 1.9 Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang

Hình 1.9 là mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than với

Rotor có các nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng

yên của động cơ Việc đặt cảm biến Hall trong Stator là quá trình phức tạp

vì bất cứ sự mất cân đối sẽ dẫn đến việc tạo ra một sai số trong việc xác

định vị trí của Rotor Để đơn giản quá trình gắn cảm biến lên Stator, một

vài động cơ có các nam châm phụ của cảm biến Hall gắn trên Rotor Đây là phiên bản thu nhỏ của nam châm trên Rotor Do đó, mỗi khi Rotor quay,

các nam châm cảm biến Rotor đem lại hiệu ứng tương tự như của nam

châm chính Các cảm biến Hall thông thường được gắn trên mạch in và cố

14

định trên nắp đậy động cơ Điều này cho phép người dùng có thể điều chỉnh hoàn toàn việc lắp ráp các cảm biến Hall để cân chỉnh với nam châm Rotor, đem lại khả năng hoạt động tối đa

Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến Các cảm biến Hall có thể đặt lệch 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 được cấp nguồn Điện áp cấp cho cảm biến là 5V yêu cầu dòng từ 5mA đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần chú ý đến đặc điểm kỹ thuật tương ứng của từng loại động cơ để biết được chính xác điện áp và dòng của cảm biến Hall được dùng Đầu ra của cảm biến Hall thường là loại open-collector, vì thế, cần có điện trở treo ở phía board điều khiển Nếu không có điện trở treo thì tín hiệu chúng ta nhận được không phải tín hiệu xung vuông mà là tín hiệu nhiễu

1.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator)

Ở động cơ BLDC vì dây quấn phần ứng được bố trí trên Stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử

sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí Rotor Do trong cấu trúc của động cơ BLDC 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 như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường

1.3 Nguyên lý hoạt động của BLDC

Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết chính xác vị trí của Rotor để điều khiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây Stator theo trình tự hợp lý Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây (như pha A) được cấp điện dương (dòng đi vào trong cuộn dây pha A), cuộn dây thứ 2 (pha B) được cấp điện âm (dòng từ cuộn dây đi

ra pha B) và cuộn thứ 3 (pha C) không cấp điện Mô-men được sinh ra do

15

tương tác giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây của Stator với nam châm vĩnh cửu Một cách lí tưởng, mô-men lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau 900 và giảm xuống khi chúng duy chuyển Để giữ động cơ quay, từ trường tạo ra bởi những cuộn dây Stator phải quay đồng bộ với từ trường của Rotor một góc α

Hình 1.10 Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây của stator

1.4 Các hệ truyền động điện dùng động cơ BLDC

1.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động 1 cực tính)

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ BLDC

16

Nguyên lí làm việc của động cơ BLDC sử dụng cảm biến quang để xác định vị trí của Rotor Động cơ được điều khiển theo tín hiệu chuyển mạch khi nhận được tín hiệu từ cảm biến Sau đây là thứ tự chuyển mạch của động cơ BLDC sử dụng cảm biến quang

Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

Cực bắc của Rotor đang ở vị trí đối diện với cực lồi Stator, phototransitor PT1 được chiếu sáng do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc(baze) của transitor Q1 làm cho Q1 mở Ở trạng thái này, cực nam được tạo thành ở cực lồi P1 bởi dòng điện I1 chạy qua cuộn dây W1 đã hút cực bắc của Rotor làm cho Rotor chuyển động theo hướng mũi tên Khi cực Bắc của Rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 của Stator, lúc này màn chắn gắn trên trục động cơ sẽ che PT1 và PT2 được chiếu sáng, Q2

mở, dòng I2 chảy qua Q2 Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và tạo

ra cực nam trên cực lồi P2 thì cực bắc của Rotor sẽ quay theo chiều mũi tên đến vị trí đối diện của cực lồi P2 Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 và phototransitor PT3 được chiếu sáng Lúc này chiều của dòng điện có chiều

từ W2 sang W3 Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại được kích hoạt và tạo thành cực lồi Do đó cực bắc của Rotor duy

17

chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lại các chuyển mạch như vậy theo thứ tự như hình 1.11, Rotor nam châm vĩnh cữu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục

1.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động 2 cực tính)

Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trên Stator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transitor công suất được điều khiển theo vị trí tương ứng của Rotor

Về bản chất chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 van chuyển mạch được bố trí trên hình 1.13 Trong đó 6 van chuyển mạch

là các van công suất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì dùng van chuyển mạch thường là IGBT Để thực hiện dẫn dòng mà trong những khoảng thời gian mà van không dẫn thì các diot được mắc song song với các van Để điều khiển các van bán dẫn của chuyển mạch điện tử,

bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí Rotor quay giống như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường

Hình 1.13 Chuyển mạch 2 cực tính của động cơ BLDC

1.5 Một số đặc điểm về điện của động cơ BLDC

18

T d C Tdc .f I a K Tdc.I a (1.1) Trong đó :

C Tdc.f K Tdc là hằng số mô-men

1.1.1 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC

Hình 1.14 Đặc tính của động cơ BLDC (a) Đặc tính làm việc và (b) Đặc

tính cơ

1.5.2 Sức phản điện động

Khi động cơ một chiều không chổi than quay, mỗi một 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 điện động này ngược chiều với

điện áp cấp Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc

góc của Rotor, từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu của Rotor và số

vòng trong mỗi cuộn dây của Stator:

EMF N.l.r.B. (1.2) Trong đó:

EMF : Sức điện động cảm ứng r : Bán kính trong của Rotor

N : Số vòng dây trên mỗi pha B : Mật độ từ trường Rotor

L : Chiều dài Rotor : Vận tốc góc của động cơ

Trong động cơ BLDC từ trường Rotor và số vòng dây Stator là các

thông số không đổi Chỉ có thông số ảnh hưởng đến sức phản điện động là

vận tốc góc hay vận tốc của Rotor và khi vận tốc tăng, sức phản điện cũng

tăng

19

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

KHÔNG CHỔI THAN BLDC, ROTOR NGOÀI

2.1 Thông số động cơ

Bảng 2.1 Ký hiệu và ý nghĩa thông số

a Số mạch nhánh song song

Ac Tổng tiết diện thanh dẫn

As1 Tiết diện hữu ích rãnh

Aw1 Tiết diện thanh dẫn

Bg Từ trường khe hở không khí

Dr1 Đường kính rôto có nam châm

Dri Đường kính trục, đường kính trong rôto

Dro Đường kính ngoài rôto

Dsi Đường kính trong của stato

Dso Đường kính ngoài stato

dw dw1 Đường kính thanh dẫn

fe Tần số điện

fLKG Hệ số từ hữu ích

FM Sức từ động nam châm

g Chiều dài khe hở không khí

GCu Khối lượng riêng của đồng

H1 Từ kháng không tải nam châm