Bldc Motor_Đoàn Thành Đạt_2051050086 - Copy.docx

CLB RealTEQ BÀI VI T CHUYÊN MÔNẾ Động cơ một chiều không chổi than 1 TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 Ng iườ th c hi n Đoàn Thành Đ tự ệ ạ MSSV 2051050086 L p TD20Aớ RealTEQ Club TABLE OF CONTENTS 1 Khái niệ[.]

CLB RealTEQ

Động cơ một chiều không chổi than

1.

TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022

Ng ườ th c hi n : Đoàn Thành Đ t i ự ệ ạ MSSV : 2051050086

L p : TD20A ớ

TABLE OF CONTENTS

1 Khái niệm động cơ một chiều không chổi than 1

2 Cấu tạo 1

2.1 Stator 2

2.2 Rotor 2

2.3 cảm biến vị trí (hall sensor) 4

3 Phân loại 5

3.1 Outrunner BLDC ( Loại động cơ có rotor bên ngoài startor) 5

3.2 Inrunner BLDC ( Loại động cơ có rotor bên trong startor) 6

4 Nguyên lý hoạt động 6

5 Đặc tính cơ của động cơ BLDC 7

6 So sánh động cơ một chiều không chổi than với động cơ có chổi than 7

7 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC 8

7.1 Điều khiển tốc độ sử dụng cảm biến vị trí 9

7.2 Điều khiển tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến 9

8 Ứng dụng 10

8.1 Tải không đổi 10

8.2 Các ứng dụng có tải trọng thay đổi 11

8.3 Ứng dụng định vị 11

1 Khái niệm động cơ một chiều không chổi than

Động cơ DC không chổi than còn được gọi là động cơ BLDC (Brushless direct current) là một động cơ DC chuyển mạch điện tử không chổi than Bộ điều khiển cung cấp các xung dòng điện tới các cuộn dây của động cơ để điều khiển tốc độ và mômen của động

cơ đồng bộ Những loại động cơ này có hiệu quả cao trong việc tạo ra một lượng lớn mô-men xoắn trên một phạm vi tốc độ rộng lớn Trong động cơ không chổi than, nam châm vĩnh cửu quay xung quanh phần ứng cố định và khắc phục sự cố kết nối dòng điện với phần ứng Chúng được biết đến với khả năng vận hành trơn tru và điều khiển liên tục ở lực quay tối đa (mô-men xoắn)

2 Cấu tạo

‒ Cấu tạo cơ bản của động cơ DC không chổi than gồm: stator, rotor, cảm biến vị trí (hall sensor)

Hình 2.1 Cấu tạo của động cơ DC không chổi than

2.1 Stator

‒ Phân loại BLDC motor theo stato có 3 loại: một pha, hai pha và ba pha Trong đó động

cơ ba pha được sử dụng rộng rãi nhất

‒ Stator: bao gồm lõi thép (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn

Hình 2.2 Cấu tạo stator

2.2 Rotor

‒ Rotor bao gồm trục đông cơ và các nam châm vĩnh cửu được bối trí xen kẽ giữa các cực bắc và nam

Hình 2.3 Cấu tạo rotor

‒ Về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi của rotor

 Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi: Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rotor Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp

Hình 2.3.1 Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi

 Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi: Trong lõi rotor có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe này Kết cấu này khó khăn trong việc chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là với công suất lớn, nhưng lại rất chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao

Hình 2.3.2 Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi

2.3 cảm biến vị trí (hall sensor)

‒ BLDC motor sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) Cảm biến Hall được gắn trên stato của BLDC để phát hiện các nam châm vĩnh cửu trên roto khi quét qua nó

Hình 2.4 Cảm biến vị trí

 Hiệu ứng Hall: là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall

Hình 2.4.1 Mô hình phần tử cảm biến hall

3 Phân loại

‒ Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) được phân thành hai loại chính : Inrunner BLDC và Outrunner BLDC

Hình 3.1 Phân loại động cơ BLDC

3.1 Outrunner BLDC ( Loại động cơ có rotor bên ngoài startor)

Hình 3.2 Outrunner BLDC

‒ Ưu điểm:

 Dễ dàng tạo ra mô-men xoắn lớn

 Tốc độ ổn định trong quá trình quay liên tục

‒ Nhược điểm:

 Rotor lớn (chuyển động chậm)

 Rotor bên ngoài cần có các biện pháp bảo vệ thích hợp

3.2 Inrunner BLDC ( Loại động cơ có rotor bên trong startor)

Hình 3.3 Inrunner BLDC

‒ Ưu điểm:

 Rotor nhỏ (chuyển động nhanh)

 Cuộn dây nằm ở phía ngoài và mức độ tản nhiệt cao

‒ Nhược điểm:

 Khó thu được momen xoắn lớn

 Nam châm có thể bị hỏng do lực ly tâm

4 Nguyên lý hoạt động

Hình 4.1 Nguyên lý hoạt động BLDC motor

Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC dựa trên lực tương tác của từ trường do stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu trên roto Khi dòng điện chạy qua một trong ba cuộn dây stato

sẽ tạo ra cực từ hút các nam châm vĩnh cửu gần nhất có cực từ trái dấu Roto sẽ tiếp tục

chuyển động nếu dòng điện dịch chuyển sang một cuộn dây liền kề Cấp điện tuần tự cho mỗi cuộn dây sẽ làm cho roto quay theo từ trường quay Trong thực tế để tăng lực tương tác người ta sẽ cấp điện cùng lúc cả hai cuộn dây, thứ tự chuyển tiếp giữa các cuộn dây được điều khiển bởi mạch điện tử

5 Đặc tính cơ của động cơ BLDC

‒ Xuất phát từ biểu thức :

 Ta có dòng điện:

‒ Tốc độ không tải lý tưởng

‒ Phương trình đặc tính cơ

Hình 5.1.Đặc tính cơ của động cơ

Từ đồ thị phương trình đặc tính cơ trên ta thấy khi giẩm điện áp thì tốc độ động cơ cũng giảm Ta nhận thấy đặc tính cơ của động cơ BLDC giống với đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

6 So sánh động cơ một chiều không chổi than với động cơ có chổi than

So sánh động cơ có chổi than động cơ không chổi than

Ưu điểm  Hiệu suất ổn định 75-80%.

 Cấu tạo đơn giản không

‒ Hiệu suất cao 85-90%, vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc

cần bộ điều khiển riêng biệt cho động cơ như động

cơ không chổi than

 Bật tắt đơn giản với một công tắc

 Chi phí ban đầu rẻ

thấp hay cao

‒ Do được kích từ nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt, đồng thời giảm hao tốn năng lượng

‒ Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn

‒ Tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế chổi than và vành trượt

‒ Độ bền động cơ (motor) cao hơn

Nhược điểm ‒ Độ bền động cơ thấp hơn.

‒ Năng lượng thất thoát nhiều

do sự ma sát giữ chổi than và roto khiến mài mòn cuộn dây

‒ Phải thay thế bàn chải (chổi than) đã mòn sau một thời gian sử dụng

‒ Giá thành cao

7 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC

Nguyên lý của việc điều khiển tốc độ động cơ là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Bộ điều khiển xác định vị trí trục roto và xuất điện áp điều khiển đóng,

mở các khóa bán dẫn (mosfet) cấp điện áp cho động cơ

Hình 7.1 Sơ đồ điều khiển tốc độ dộng cơ BLDC

Để đơn giản thì ta chỉ điều chế độ rộng xung của các khóa bán dẫn bên dưới (Q4,Q5,Q6), các khóa bán dẫn phía trên khi được kích dẫn sẽ dẫn hoàn toàn (độ rộng xung

là 100%)

7.1 Điều khiển tốc độ sử dụng cảm biến vị trí

BLDC motor sử dụng 3 cảm biến Hall để xác định vị trí trục roto Hình bên dưới mô tả chu kỳ chuyển mạch của các khóa bán dẫn ứng với các giá trị cảm biến Hall Trong ví dụ này sử dụng các cảm biến Hall lệch pha nhau điện

Hình 7.2 điều khiển tốc độ sử dụng cb hall

7.2 Điều khiển tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến

Sensorless BLDC Motor Control là phương pháp sử dụng từ thông roto để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho các cảm biến Hall Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến

là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ Phương pháp này áp dụng với động cơ một chiều không chổi than có điện áp hình thang

Hình 7.3 Điều khiển tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến

‒ Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến:

 Xác định vị trí roto dựa vào sức điện động của động cơ, phương pháp này đơn giản,

dễ thực hiện và giá thành rẻ

 Ước lượng vị trí dùng các thông số động cơ, các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ Phương pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành lại cao

8 Ứng dụng

Ứng dụng điển hình động cơ BLDC tìm thấy trong mọi phân khúc của thị trường Cụ thể động cơ BLDC được ứng dụng trong Ô tô, thiết bị gia dụng, điều khiển công nghiệp, tự động hóa, hàng không, v.v Hầu hết những những ứng dụng này của dộng cơ BLDC, chúng

ta có thể phân thành ba loại chính:

 Tải không đổi

 Tải trọng thay đổi

 Ứng dụng định vị

8.1 Tải không đổi

Đây là những loại ứng dụng mà tốc độ thay đổi quan trọng hơn việc giữ độ chính xác của tốc độ ở tốc độ đặt Ngoài ra, tốc độ tăng tốc và giảm tốc không thay đổi linh hoạt Trong các loại ứng dụng này, tải được kết nối trực tiếp với trục động cơ Ví dụ, quạt, máy bơm và máy thổi đều thuộc các loại ứng dụng này Các ứng dụng này đòi hỏi bộ điều khiển chi phí thấp, chủ yếu hoạt động trong vòng lặp mở

8.2 Các ứng dụng có tải trọng thay đổi

Đây là các loại ứng dụng mà tải trên động cơ thay đổi trong một phạm vi tốc độ Những ứng dụng có thể yêu cầu độ chính xác điều khiển tốc độ cao và phản ứng động tốt Tại gia đình các thiết bị như , máy giặt, máy sấy và máy nén

Trong ô tô, điều khiển bơm nhiên liệu, điều khiển bộ lái điện tử, điều khiển động cơ và điều khiển xe điện là những ví dụ điển hình trong số này

Trong hàng không vũ trụ, có một số ứng dụng, như máy ly tâm, máy bơm, điều khiển cánh tay robot, điều khiển con quay và v.v Các ứng dụng này có thể sử dụng các thiết bị phản hồi tốc độ và có thể chạy trong vòng lặp nửa kín hoặc trong vòng lặp kín Các ứng dụng này sử dụng thuật toán điều khiển nâng cao, do đó làm phức tạp bộ điều khiển và làm tăng giá thành của hoàn thành hệ thống

8.3 Ứng dụng định vị

Hầu hết các loại ứng dụng công nghiệp và tự động hóa thuộc thể loại này Các ứng dụng trong thể loại này có một số loại như truyền tải điện, có thể là cơ khí bánh răng hoặc vành đai hẹn giờ, hoặc một hệ thống điều khiển vành đai đơn giản

Trong các ứng dụng này, phản ứng động tốc độ và mô-men rất quan trọng Ngoài ra, các ứng dụng này có thể đồi hỏi đảo chiều quay thường xuyên của hướng quay Một chu kỳ điển hình của loại chuyển động định vị sẽ có giai đoạn tăng tốc, giai đoạn tốc độ không đổi

và giai đoạn giảm tốc và pha định vị Tải trọng trên động cơ có thể thay đổi trong tất cả các giai đoạn này, làm cho bộ điều khiển phức tạp

Mặt khác, các cảm biến vị trí riêng biệt có thể được sử dụng để có được vị trí tuyệt đối Máy tính điều khiển số (CNC) là một ví dụ tốt về điều này Điều khiển quá trình, điều khiển máy móc và điều khiển băng tải có rất nhiều ứng dụng trong danh mục này