Cách thức hoạt động của BLDC: Hướng dẫn thực hành về vận hành và điều khiển động cơ DC không chổi than

Rất ít bộ phận đã thay đổi cách các máy điện nhỏ hoạt động êm ái và hiệu quả như động cơ DC không chổi than. Cho dù bạn đang thiết kế robot, thiết bị gia dụng thông minh hay thiết bị y tế, bạn có thể đã xem xét công nghệ BLDC. Nhưng cách thức hoạt động của BLDC không phải lúc nào cũng rõ ràng, đặc biệt nếu nền tảng của bạn là về động cơ chổi than truyền thống. Hướng dẫn này giải thích nguyên lý hoạt động một cách đơn giản, thảo luận về vai trò của bộ điều khiển và nêu bật những gì khiến động cơ DC không chổi than trở nên có giá trị trong các sản phẩm thực tế.

Động cơ DC không chổi than là gì?

Động cơ DC không chổi than, hay động cơ BLDC, là động cơ điện đồng bộ được điều khiển bằng dòng điện một chiều. Trong động cơ DC có chổi than thông thường, rôto mang các cuộn dây cuộn và chổi than cọ xát vào cổ góp để cung cấp dòng điện. Trong động cơ BLDC, sự sắp xếp ngược lại: nam châm vĩnh cửu được gắn trên rôto, trong khi stato được làm bằng cuộn dây đồng. Vì không có chổi than để hao mòn và không có bộ chuyển mạch để tạo hồ quang nên động cơ chạy sạch hơn và bền hơn nhiều.

BLDC hoạt động như thế nào: Nguyên tắc cơ bản

Để hiểu BLDC hoạt động như thế nào, hãy nghĩ về lực hút từ tính. Rôto là một nam châm vĩnh cửu (hoặc một bộ nam châm) và cuộn dây stato hoạt động giống như nam châm điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra một cực từ có thể hút hoặc đẩy rôto. Bằng cách chuyển dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây tiếp theo theo đúng thứ tự, bạn tạo ra một từ trường quay kéo rôto ra phía sau nó.

Bước 1: Stator tạo ra từ trường quay

Thay vì sử dụng chổi than cơ học để chuyển đổi dòng điện, động cơ BLDC sử dụng bộ điều khiển điện tử để cấp điện cho cuộn dây stato theo trình tự. Trong động cơ BLDC ba pha điển hình, bộ điều khiển cấp điện áp vào hai trong ba cuộn dây cùng một lúc, khiến cuộn dây thứ ba không được cấp điện. Từ trường sinh ra xung quanh stato, luôn ở phía trước rôto.

Bước 2: Rôto nam châm vĩnh cửu đi theo từ trường

Các nam châm rôto cố gắng căn chỉnh theo từ trường của stato một cách tự nhiên. Bởi vì bộ điều khiển liên tục di chuyển vị trí trường nên rôto tiếp tục đuổi theo nó. Sự khác biệt góc giữa rôto và từ trường stato là góc mô-men xoắn và nó ảnh hưởng trực tiếp đến lượng mô-men xoắn mà động cơ tạo ra.

Bước 3: Chuyển mạch điện tử thay thế chổi than cơ học

Chuyển mạch là quá trình thay đổi chiều dòng điện trong cuộn dây. Trong động cơ chổi than, việc này được thực hiện một cách cơ học nhờ cổ góp và chổi than. Trong động cơ BLDC, nó được thực hiện bằng điện tử với các bóng bán dẫn điện như MOSFET. Đó là lý do tại sao động cơ BLDC còn được gọi là động cơ chuyển mạch điện tử.

Bước 4: Phát hiện vị trí rôto giúp mọi thứ được đồng bộ hóa

Bộ điều khiển cần biết rôto ở đâu trước khi có thể cấp điện cho cuộn dây chính xác. Nhiều động cơ BLDC sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall gắn trên stato. Những cảm biến này phát hiện từ trường của rôto và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển. Các thiết kế khác không có cảm biến: chúng ước tính vị trí rôto từ EMF phía sau được tạo ra trong cuộn dây không được cấp điện.

Bước 5: Phản hồi liên tục tạo chuyển động quay mượt mà

Trong động cơ dựa trên cảm biến, bộ điều khiển đọc trạng thái cảm biến Hall và cập nhật trình tự cuộn dây nhiều lần trên mỗi vòng quay. Chuyển mạch vòng kín này tạo ra mô-men xoắn ổn định, độ ồn thấp và không phát ra tia lửa điện. Nó cũng giúp động cơ kiểm soát tốc độ chính xác trên phạm vi rộng.

ESC làm gì?

Bộ điều khiển thường được gọi là ESC hoặc bộ điều khiển tốc độ điện tử, đặc biệt là trong máy bay không người lái và thiết bị theo sở thích. Trong các ứng dụng công nghiệp, nó thường được gọi là trình điều khiển động cơ BLDC. Dù tên là gì thì ESC cũng có ba công việc: khởi động động cơ, chuyển các cuộn dây theo đúng thứ tự và điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn.

Tốc độ thường được kiểm soát thông qua điều chế độ rộng xung (PWM). ESC nhanh chóng bật và tắt điện áp DC và điện áp trung bình cấp vào động cơ sẽ xác định tốc độ của nó. Đồng thời, ESC giám sát vị trí và dòng điện rôto, cho phép nó bảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá tải và chết máy.

Động cơ DC có chổi than và không chổi than

Nhìn vào cách BLDC hoạt động sẽ giúp làm rõ lý do tại sao nó trở thành lựa chọn ưa thích trong rất nhiều thiết kế mới. Bảng dưới đây tóm tắt những khác biệt chính giữa động cơ DC có chổi than và không chổi than trong các ứng dụng động cơ vi mô.

Tại sao động cơ BLDC được sử dụng trong các ứng dụng thực tế

Sự kết hợp giữa hiệu suất cao, tuổi thọ cao và mô-men xoắn có thể điều khiển được giúp động cơ BLDC phù hợp tự nhiên cho các sản phẩm cần chạy liên tục hoặc vận hành với độ chính xác. Trong công việc hàng ngày, chúng tôi thấy các nhà thiết kế chọn công nghệ BLDC cho mọi thứ, từ động cơ đẩy máy bay không người lái đến tự động hóa công nghiệp. Nhiều robot công nghiệp dựa vào mô-men xoắn tốc độ thấp mượt mà của động cơ không chổi than để định vị cánh tay và bộ kẹp một cách chính xác. Hiệu quả cao máy hút bụi sử dụng động cơ BLDC để quay ở tốc độ cao đồng thời tạo ra ít nhiệt hơn và ít tiếng ồn hơn.

Những lợi ích thiết thực rất dễ nhận thấy:

• Hiệu suất cao hơn có nghĩa là ít lãng phí nhiệt hơn và tuổi thọ pin tốt hơn.
• Không có chổi than nghĩa là giảm chi phí bảo trì và không có bụi carbon bên trong động cơ.
• Chuyển mạch điện tử có nghĩa là tăng tốc mượt mà và điều chỉnh tốc độ chính xác.

Đối với các ứng dụng nhẹ, lực đẩy cao như máy bay không người lái nhiều cánh quạt, mật độ công suất và phản ứng nhanh của động cơ là rất quan trọng. Động cơ không chổi than được thiết kế cho nhiệm vụ này phải cân bằng điện trở stato, cấp nam châm và cân bằng cơ học để tạo ra lực đẩy hiệu quả.

Chọn động cơ BLDC phù hợp

Một khi bạn hiểu được nguyên lý làm việc, việc lựa chọn một động cơ sẽ trở thành vấn đề phù hợp với các yêu cầu về điện, cơ khí và môi trường. Bắt đầu với điện áp danh định và dòng điện có sẵn trong hệ thống của bạn. Sau đó, hãy xem định mức KV của động cơ, liên quan đến tốc độ với điện áp và hằng số mô-men xoắn của nó, liên quan đến dòng điện với mô-men xoắn.

Khi so sánh các ứng cử viên động cơ BLDC, hãy xem qua danh sách kiểm tra đơn giản:

1. Điện áp và dòng điện nào có sẵn trong sản phẩm?
2. Mô-men xoắn liên tục và cực đại cần thiết ở tốc độ vận hành là bao nhiêu?
3. Động cơ có cần cảm biến Hall để có độ chính xác ở tốc độ thấp hay điều khiển không có cảm biến có được chấp nhận không?
4. Những hạn chế về cơ học và môi trường tồn tại, chẳng hạn như kích thước, trọng lượng và nhiệt độ?

Động cơ dựa trên cảm biến được ưu tiên sử dụng cho robot, thiết bị y tế và các ứng dụng khác yêu cầu định vị chính xác hoặc khởi động khi có tải. Động cơ BLDC không cảm biến thường gặp ở quạt và máy bơm có tải có thể dự đoán được.

Nếu bạn đang thiết kế một sản phẩm mới, bạn nên thảo luận về chu kỳ hoạt động, nhiệt độ môi trường và tuổi thọ dự kiến ​​trước khi chọn động cơ. Nhà sản xuất có kinh nghiệm về động cơ vi mô có thể giúp bạn chọn thước đo dây, vật liệu nam châm và hệ thống ổ trục phù hợp cho ứng dụng cụ thể của bạn.

Kết luận

Cách thức hoạt động của BLDC có thể được tóm tắt trong một câu: bộ điều khiển điện tử tạo ra từ trường quay trong stato và rôto nam châm vĩnh cửu tuân theo trường đó vì bộ điều khiển tiếp tục chuyển mạch các cuộn dây theo đúng trình tự. Nguyên lý đơn giản này giúp loại bỏ chổi than, cải thiện hiệu suất và giúp các kỹ sư kiểm soát chính xác tốc độ và mô-men xoắn.

Là nhà sản xuất động cơ vi mô với hơn ba thập kỷ kinh nghiệm sản xuất, chúng tôi khuyến khích các nhóm sản phẩm đánh giá công nghệ BLDC bất cứ khi nào độ tin cậy, hiệu quả sử dụng năng lượng và hoạt động sạch là vấn đề quan trọng. Bắt đầu với nguyên tắc vận hành, xem lại hồ sơ tải trọng của bạn và chọn đối tác động cơ hiểu chi tiết.