Đồ án: Thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC 1000W rôto ngoài

Đồ án nghiên cứu thiết kế thiết bị điện đề tài thiết kế động cơ một chiều không chổi than bldc rôto ngoài có công, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Đoàn Hải Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Anh
• Trường học: Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Thiết kế động cơ một chiều không chổi than BLDC rôto ngoài có công suất Pđm= 1000W
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Cơ BLDC Rôto Ngoài 1000W

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC - Brushless DC Motor) rôto ngoài là thiết bị điện chuyên biệt được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Động cơ BLDC 1000W với cấu trúc rôto ngoài mang lại hiệu suất cao, độ tin cậy tốt và khả năng kiểm soát tốc độ linh hoạt. Khác với động cơ DC truyền thống có chổi than, động cơ BLDC sử dụng hệ thống điều khiển điện tử để chuyển mạch dòng điện, giảm thiểu mài mòn cơ học và tăng tuổi thọ thiết bị. Rôto ngoài là cấu hình đặc biệt với nam châm vĩnh cữu gắn trên vỏ ngoài, quay bao quanh stato. Công suất 1000W phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn lớn như máy bay không người lái, xe điện, quạt công nghiệp và các thiết bị cơ khí cao cấp.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Động Cơ BLDC Rôto Ngoài

Cấu trúc rôto ngoài của động cơ BLDC 1000W gồm rotor (rôto) quay bên ngoài bao quanh stator (stato). Nam châm vĩnh cữu được gắn chặt vào lồng rôto, tạo từ trường quay. Stato gồm các cuộn dây quấn trên lõi thép, nhận dòng điện ba pha được điều khiển bằng bộ điều khiển (ESC). Thiết kế này cho phép mô-men xoắn cao, tốc độ vừa phải và hiệu suất năng lượng tối ưu. Với công suất 1000W, động cơ này cung cấp động lực mạnh mẽ cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

1.2. Ưu Điểm Động Cơ BLDC So Với Động Cơ DC Truyền Thống

Động cơ BLDC 1000W vượt trội về nhiều mặt: không chổi than nên không mài mòn, tuổi thọ kéo dài gấp 5-10 lần; hiệu suất cao 85-95% so với 65-80% của động cơ DC; điều khiển tốc độ chính xác bằng PWM; tỉ số mô-men/khối lượng lớn; phát sinh nhiệt ít; độ ồn thấp; phù hợp môi trường khắc nghiệt.

II. Quy Trình Tính Toán Thiết Kế Động Cơ BLDC 1000W

Thiết kế động cơ BLDC 1000W rôto ngoài yêu cầu tuân theo quy trình kỹ thuật khoa học với nhiều bước tính toán chi tiết. Đầu tiên, xác định các thông số đầu vào: công suất, tốc độ quay, điện áp, số cực từ. Tiếp theo, tính toán mạch từ gồm chiều dài vỏ ferro, đường kính trong/ngoài, chiều cao nam châm, độ dày khoảng hở không khí. Tính toán dây quấn stato bao gồm số vòng, tiết diện dây, điện trở, công suất tổn hao joule. Sau đó thiết kế rôto với nam châm vĩnh cữu tối ưu từ thông. Cuối cùng, kiểm chứng qua mô phỏng phần mềm và so sánh kết quả tính toán giải tích với mô phỏng để đảm bảo hiệu suất.

2.1. Tính Toán Kích Thước Mạch Từ

Mạch từ động cơ BLDC 1000W gồm stato và rotor. Tính toán đường kính trong stato từ công thức: D = ∛(P×10^6/(π×n×B_δ×A_q)) với P là công suất, n là tốc độ (vòng/phút), B_δ là mật độ từ khoảng hở, A_q là mật độ dòng. Xác định chiều dài vỏ dari yêu cầu về mô-men xoắn. Chiều cao nam châm (h_m) và độ dày khoảng hở (δ) ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông và hiệu suất.

2.2. Thiết Kế Dây Quấn Stato

Dây quấn stato của động cơ BLDC 1000W thường là ba pha. Tính toán số vòng/pha từ điện áp định mức và từ thông khoảng hở. Chọn tiết diện dây dựa trên mật độ dòng (3-5 A/mm²). Điện trở dây R = ρ×L/S ảnh hưởng đến tổn hao nhiệt. Sắp xếp cuộn dây tối ưu giảm điều hòa, nâng cao chất lượng từ trường.

2.3. Thiết Kế Nam Châm Rôto

Nam châm vĩnh cữu rôto nên dùng NdFeB (neodym) có từ lực mạnh. Tính toán kích thước nam châm để từ thông khoảng hở đạt 0.8-1.0 Tesla. Số cực từ thường chọn 4-8 cực tùy yêu cầu tốc độ. Sắp xếp nam châm tối ưu từ thông hài hòa giảm ripple mô-men.

III. Kết Quả Tính Toán Giải Tích Động Cơ BLDC 1000W

Các kết quả tính toán từ quy trình thiết kế động cơ BLDC 1000W cho thấy tính khả thi kỹ thuật cao. Mô-men xoắn định mức đạt từ 6-8 Nm tùy tốc độ quay. Tốc độ quay dao động 1000-3000 vòng/phút phụ thuộc vào số cực từ và điện áp. Hiệu suất toàn phần dự kiến 88-92%, trong đó tổn hao joule chiếm 5-7%, tổn hao từ 3-5%. Hệ số công suất (PF) cao 0.95-0.98 nhờ điều khiển vector. Đường kính ngoài rotor khoảng 120-150mm, chiều dài stato 80-100mm để đạt công suất 1000W với mật độ công suất tối ưu.

3.1. Tính Toán Từ Thông Và Cảm Ứng

Từ thông khoảng hở (Φ) tính từ công thức: Φ = B_δ × A_δ × k_p, với B_δ ≈ 0.9-1.0 T, A_δ là diện tích khoảng hở. Cảm ứng suất (e) = k×Φ×ω cho động cơ BLDC 1000W đạt 500-600V khi tốc độ định mức, đảm bảo điều khiển ổn định với bộ ESC 48V.

3.2. Tính Toán Mô Men Xoắn Và Công Suất

Mô-men xoắn (T) = k×i×Φ phụ thuộc dòng điện và từ thông. Với công suất 1000W, mô-men xoắn = 9550×P/n (P=kW, n=rpm) cho tốc độ 1500 rpm là 6.4 Nm. Tổn hao công suất chia thành tổn hao joule (I²R), tổn hao từ và cơ học, tổng 80-120W.

3.3. Kết Quả Tính Toán Định Mức

Động cơ BLDC 1000W rôto ngoài: Điện áp định mức 48V; Dòng định mức 22-25A; Tốc độ 1500 rpm; Mô-men 6.4 Nm; Hiệu suất 90%; Số cực từ 8; Đường kính rotor 140mm; Chiều dài stato 90mm; Tổn hao toàn phần 110W.

IV. Mô Phỏng Thiết Kế Động Cơ BLDC Trên Phần Mềm

Mô phỏng động cơ BLDC 1000W trên phần mềm như ANSYS Maxwell, COMSOL, hoặc Flux 3D là bước quan trọng để xác minh kết quả tính toán giải tích. Quá trình mô phỏng bao gồm: xây dựng mô hình 3D hình học động cơ với đặc tính vật liệu chính xác; thiết lập điều kiện biên từ trường; nhập các thông số cuộn dây, nam châm; chạy phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để tính toán từ thông, mật độ từ, tổn hao; so sánh kết quả mô phỏng với tính toán giải tích. Lệch suất dưới 5% được coi là chấp nhận được. Mô phỏng giúp phát hiện vấn đề thiết kế sớm, tối ưu hình dạng từ trường, dự báo hiệu suất thực tế chính xác hơn trước khi chế tạo nguyên mẫu.

4.1. Công Cụ Mô Phỏng Phần Mềm

ANSYS Maxwell là phần mềm hàng đầu cho mô phỏng động cơ BLDC 1000W, cho phép phân tích từ trường tĩnh, thoáng động, quỹ đạo tức thời. COMSOL cung cấp công cụ mô phỏng đa vật lý kết hợp từ trường và nhiệt. Flux 3D của Cedrat chuyên về máy điện. Các phần mềm này tính toán mật độ từ, cảm ứng suất, ripple mô-men, tổn hao chi tiết.

4.2. Quá Trình Mô Phỏng Chi Tiết

Nhập hình học động cơ BLDC 1000W rôto ngoài: stato, rotor, nam châm, khoảng hở. Định nghĩa vật liệu: thép từ, dây đồng, nam châm NdFeB. Thiết lập lưới chia nhỏ (mesh) tập trung ở khoảng hở. Đặt điều kiện biên: từ trường tuần hoàn, dòng điện 3 pha, tốc độ rotor. Chạy mô phỏng quá độ để theo dõi dòng điện, mô-men qua một chu kỳ quay.

4.3. So Sánh Và Tối Ưu Kết Quả

Mô phỏng động cơ BLDC 1000W cho kết quả mô-men xoắn trung bình, ripple mô-men, cảm ứng suất, tổn hao. So sánh với tính toán giải tích: mô-men (6.2 Nm mô phỏng vs 6.4 Nm lý thuyết), hiệu suất (89% vs 90%). Nếu sai lệch >5%, điều chỉnh thiết kế: tăng nam châm, tối ưu cuộn dây, giảm khoảng hở để cải thiện từ thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 ứ́ng dụng điều chỉnh tốc độ, điều khiển vị trí chính xác.

Nam châm vĩnh cửu 3. Ổ bi (b) Động cơ DC 1. Nam châm vĩnh cửu 3. 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.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.1 So sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC Các thông Động cơ BLDC Động cơ DC Ưu/Nhược điểm của động cơ số so sánh BLDC với động cơ DC Bộ chuyển Đảo chiều bằng Đảo chiều dòng Động cơ BLDC sử dụng mạch điện tử dựa trên kiểu cơ khí bằng chuyển mạch điện tử thay thế thông tin từ cảm chổi than và cổ cho chuyển mạch cơ biến vị trí Rotor góp 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 Định kỳ Không phải bảo trì chổi than, cần bảo trì cổ góp Đáp ứ́ng Nhanh Chậm Mô mem quán tính của rotor động động cơ BLDC thường nhỏ hơn so với mô mem quán tính của rotor động cơ một chiều thông thường Dải điều Cao Thấp Động cơ BLDC không bị giới chỉnh tốc hạn tốc độ về mặt cơ khí do độ chổi than và cổ góp Nhiễu điện Thấp Cao Động cơ 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 động cơ BLDC không có chổi than, cổ góp Điều khiển Phứ́c tạp Đơn giản Động cơ BLDC có cảm biến Hall trả giá trị về để điều khiển các van Giá thành Cao Thấp Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao 8 Từ bảng 1.1 Ta nhận thấy rằng ưu điểm mà động cơ một chiều không chổi mang lại đảm bảo sự an toàn, đáp ứ́ng được nhu cầu mà động cơ một chiều thông thường không thể có. Ngoài ra, động cơ hoạt động với vận tốc cao, vận hành êm và hiệu suất nâng cao hơn.2 Cấu tạo động cơ BLDC Bộ chuyển mạch Động cơ + = - ~ Mạch Logic Cảm biến vị trí 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 ứ́ng.

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.1 Startor Stator: từ tiếng Anh (gốc từ stationary: đứ́ng yên) chỉ phần đứ́ng yên, phần đứ́ng, 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 chứ́a dây quấn phần ứ́ng.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 ứ́ng khác. Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây Stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sứ́c phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sứ́c 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 ứ́ng 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 sứ́c phản điện động là lớn hơn.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 ứ́ng 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 ứ́ng dụng công nghiệp.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. 11 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 ứ́ng 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.3Cảm biến vị trí Hall Sensor Không giống như Động cơ DC, chuyển động của động cơ BLDC được điều khiển bằng điện từ tứ́c 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 thứ́ tự pha. Tứ́c 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 thứ́ tự cấp điện. Vị trí của Rotor được xác định bởi các cảm biến sử dụng hiệu ứ́ng 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 mứ́c 0 hoặc mứ́c 1 ứ́ng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến.

Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ́ tự chuyển mạch chính xác được xác định. Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứ́ng Hall đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường 12 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 mứ́c 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 ứ́ng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879.8 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 đứ́ng yên của động cơ. Việc đặt cảm biến Hall trong Stator là quá trình phứ́c tạp vì bất cứ́ 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 ứ́ng tương tự như của nam châm chính. Các cảm biến Hall thông thường được gắn trên mạch 13 in và cố định trên nắp đậy động cơ.