CHƯƠNG 1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNGCHỔI THAN (BLDC) 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC [1] Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường 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, những thứ dễ bịmòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thếchức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vịtrí rotor).
Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường. So sánh BLDC với động cơ một chiều thông thường: Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thường hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệhiện tại, ta thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng.1 so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này.
Khi nói về chức năng của động cơ điện, không được quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiềuđược thực hiện bởi cổ góp và chổi than. 2 Ngược lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT.1: So sánh động cơ BLDC với ĐCMC thông thường Nội dung ĐCMC thông thường ĐCMC không chổi than Cấu trúc cơ Mạch kích từ nằm trên stato Mạch khích từ nằm trên rotor khí Tính năng đặc Đáp ứng nhanh và dễ điều Đáp ứng chậm hơn.
Dễ bảo biệt khiển dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng) Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn. Đơn giản nhất Cao áp :Ba pha nối Y hoặc Δ là nối Δ Bình thường: Dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha. Đơn giản nhất: nối 2 pha Phương pháp Tiếp xúc cơ khí giữa chổi Chuyên mạch điện tử sử dụng đổi chiều than và cổ góp thiết bị bán dẫn như transitor,IGBT. Phương pháp Tự động xác định bằng chổi Sử dụng cảm biến vị trí :phần xác định vị than tử Hall, cảm biến quang học trírotor (otical encoder) Phương pháp Đảo chiều điện áp Sắp xếp lại thứ tự của các tín đảo chiều nguồn (cấp cho phần hiệu logic ứng hoặc mạch kích từ) 3 1.
CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.1 minh họa cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình: Hình 1.1:Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua 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 một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản. Stato Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha (hình 1.Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác Δ.2: Stato 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. Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác. Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặc hình tam giác.
Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của 5 động cơ khác nhau.
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 một chiều không chổi than 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, các 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. Rotor 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. 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.3: Rotor của động cơ BLDC Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp được chọn tương ứng.
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 rẻ hơn nhưng mật độ từ thông trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi đó, 6 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 momen tương tự.
Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite.4: Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than 1. Cảm biến vị trí rotor [2] Như chúng ta đã thấy đổi chiều dòng điện căn cứ vào vị trí của từ thông rotor do đó vấn đề xác định vị trí từ thông rotor là rất quan trọng. Để xác định vị trí từ thông rotor ta dùng các thiết bị cảm biến. Có những thiết bị cảm biến sau: - Cảm biến Hall; - Cảm biến từ trở MR (magnettoresistor sensor); - Đèn led hoặc trasito quang.
Cảm biến Hall Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall). Hiệu ứng Hall được E.Hall tìm ra năm 1879 và được mô tả như sau: khi một dây dẫn điện đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tác động một lực lên các điện tích đang chuyển động trong dây điện và có khuynh hướng đẩy chúng sang một bên của dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng 7 tấm mỏng. Sự tích tụ các điện tích ở một bên dây dẫn làm xuất hiện điện áp giữa hai mặt của dây dẫn.
Điện áp này có độ lớn tỉ lệ với cường độ từ trường và cường độ dòng điện qua dây dẫn. Mô hình phần tử cảm biến Hall Ur = (Kh IB) / d Các cảm biến vị trí rotor có nhiệm vụ cung cấp thông tin về vị trí của rotor cho mạch điều khiển cấp điện cho các cuộn dây stato. Cần chú ý là Hall sensor được gắn trên stato của BLDC chứ không phải trên rotor. Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao.
Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến những sai số khi xác định vị trí rotor. Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm các nam châm phụ trên rotor để phục vụ cho việc xác định vị trí rotor. Các nam châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được gắn trên phần trục rotor nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh. Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than- cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống.
Bộ cảm biến từ trở (MR) Từ thông làm thay đổi điện trở mạch, với phương pháp này có thể phát hiện chính xác từ thông. Dùng đền LED transistor quang và màn chắn (shutter) Trên hình 1.6 biểu diện hệ thống xác định vị trí từ thông dùng transistor quang hay màn chắn Hình 1.Thiết bị cảm biến vị trí rotor dùng quang Hoạt động của nó như sau: Một transistor PT1 ở trạng thái dẫn thì 2 transistor còn lại ở trạng thái tắc (PT2 và PT3).7 trình bày hoạt động cụ thể của động cơ truyên động BLDC dùng transistor quang để phát hiện vị trí từ thông.7a là sơ đồ nguyên lý, còn hình 1.7b là sơ đồ tương đương.7a ta thấy 3 cuộn dây stato một đầu được nối với nguồn DC, đầu còn lại nối với 1 transistor quang. Phần quang học (PY) của các transistor này được gắn trên một màn che trong đó diện tích che phủ của màn che chỉ là 9 240⁰ như vậy tại một thời điểm luôn chỉ có một phần tử quang PT của một transistor được chiếu sáng, 2 transistor còn lại không được chiếu sáng. Transistor được chiếu sáng sẽ dẫn, 2 transistor còn lại không được chiếu sáng sẽ không dẫn.
