Động cơ BLDC hoạt động như thế nào: Giải thích chi tiết về nguyên lý của động cơ DC không chổi than

Trong hai đến ba thập kỷ qua, nhờ sự tiến bộ không ngừng của công nghệ điện tử và vật liệu nam châm vĩnh cửu,Động cơ BLDCđã chuyển đổi từ động cơ thích hợp sang giải pháp năng lượng phổ biến cho các ngành công nghiệp khác nhau.Động cơ BLDCđã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng, bao gồm thiết bị gia dụng, dụng cụ điện, xe điện và thiết bị tự động hóa công nghiệp do hiệu suất cao, độ tin cậy cao và tuổi thọ dài. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC vẫn chưa được nhiều người biết đến. Bài viết này sẽ giải thích những điều bạn cần biết về nguyên lý làm việc của động cơ BLDC để bạn có thể có được cái nhìn chi tiết hơn về sự đổi mới đáng kinh ngạc này trong kỹ thuật điện ngày nay.

Cấu trúc cơ bản của động cơ BLDC

Bây giờ, trước khi đi vào nguyên lý làm việc, chúng ta nên làm quen với cấu trúc cơ bản của nó:

Stator: Cố định bên trong vỏ động cơ, nó thường được tạo thành từ các tấm thép silicon nhiều lớp và các cuộn dây được quấn quanh nó để tạo ra một số cực nam châm điện.

Rôto: Rôto thường được gắn trên trục và chứa nam châm vĩnh cửu. Động cơ BLDC có thể được phân loại thành nhiều loại dựa trên các cấu hình khác nhau của nam châm vĩnh cửu.

Cảm biến Hall: Để xác định vị trí của rôto và phản hồi về hệ thống điều khiển điện tử.

Bộ điều khiển: Một hệ thống điều khiển điện tử xác định thời gian của dòng điện chạy qua cuộn dây stato dựa trên phản hồi từ cảm biến Hall hoặc các cơ chế phản hồi khác.

Điều đáng chú ý là cấu trúc động cơ BLDC vượt trội là duy nhất so với cấu trúc rôto bên trong. Rôto ở bên ngoài và stato ở bên trong. Kiểu thiết kế này đặc biệt phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi mô-men xoắn cao, chẳng hạn như trong truyền động cánh quạt của máy bay không người lái.

Nguyên lý điện từ: Nền tảng hoạt động của động cơ BLDC

Hai nguyên lý cơ bản của điện từ xác định hoạt động của động cơ BLDC:

Định luật Ampe: Khi một dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường thì dây dẫn đó sẽ chịu tác dụng của một lực. Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các cuộn dây đồng cuộn và sau khi các cuộn dây này được cấp điện, chúng tạo ra một từ trường tương tác giữa các nam châm vĩnh cửu của rôto để tạo ra một lực cung cấp chuyển động cơ học cho rôto quay.

Định luật cảm ứng điện từ Faraday: Một suất điện động sẽ xuất hiện trong một dây dẫn khi nó cắt các đường sức từ hoặc nằm trong một từ trường biến thiên. Nó được sử dụng rộng rãi trong điều khiển không cảm biến, trong đó vị trí rôto được phát hiện bằng cách cảm nhận lực điện động phía sau.

Những nguyên tắc này được áp dụng trong thiết kế động cơ không chổi than công nghiệp. Họ thực hiện điều này bằng cách điều chỉnh chính xác dòng điện chạy qua cuộn dây stato, đảm bảo tương tác điện từ thuận lợi với nam châm vĩnh cửu của rôto để đạt được hiệu suất và độ ổn định cao.

Quá trình chuyển mạch của động cơ BLDC

Cơ chế làm việc quan trọng nhất trong động cơ BLDC được gọi là chuyển mạch điện tử. Đây là yếu tố phân biệt quan trọng nhất và then chốt giữa động cơ không chổi than và động cơ chổi than truyền thống.

Nguyên lý chuyển mạch: Chuyển mạch là quá trình thay đổi hướng của dòng điện liên quan đến cuộn dây của động cơ để có thể tồn tại tương tác điện từ liên tục giữa rôto và stato, tạo ra mômen xoắn liên tục.

Chuyển mạch sáu bước: Phương pháp điều khiển truyền thống của động cơ BLDC chia chu trình điện thành sáu bước. Ở mỗi bước, hai trong số các cuộn dây ba pha được cấp điện, trong khi một pha bị tắt.

Phản hồi của cảm biến Hall: Cảm biến Hall phát hiện vị trí của nam châm vĩnh cửu của rôto, để bộ điều khiển có thể xác định cuộn dây nào sẽ được cấp điện và hướng dòng điện.

Điều khiển không cảm biến: Một phương pháp tiên tiến hơn là xác định vị trí của rôto bằng cách theo dõi suất điện động ngược trong pha không cấp điện, không cần cảm biến Hall để thực hiện chiến lược phức tạp này, mang lại độ tin cậy cao hơn cho bộ truyền động.

Động cơ BLDC lớn thường áp dụng các chiến lược điều khiển phức tạp hơn, chẳng hạn như điều khiển sóng hình sin hoặc điều khiển vectơ, để đạt được mô-men xoắn đầu ra mượt mà hơn và hiệu suất cao hơn.

Vai trò của bộ điều khiển trong hệ thống động cơ BLDC

Động cơ BLDC không thể tự hoạt động mà cần kết hợp với bộ điều khiển điện tử chuyên dụng:

Trình điều khiển động cơ: Thông thường là bộ biến tần cầu ba pha dựa trên power MOSFET hoặc IGBT để chuyển đổi đường dẫn hiện tại theo tín hiệu điều khiển

Bộ vi điều khiển: Nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí, thực hiện các thuật toán điều khiển và tạo tín hiệu xung điện để điều khiển các thiết bị nguồn.

Điều khiển vòng kín: Cung cấp khả năng điều khiển tốc độ hoặc điều khiển vị trí chính xác dựa trên nhu cầu ứng dụng.

Chức năng bảo vệ an toàn: bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ dưới điện áp, v.v.

Các ứng dụng cho hệ thống động cơ BLDC 48V rất phổ biến trong xe đạp điện, xe điện nhỏ và một số ứng dụng công nghiệp khác. Bộ điều khiển và mạch xử lý của nó cần phải xử lý điện áp và dòng điện cao hơn, đồng thời thường có bộ chức năng bảo vệ và hiệu suất phức tạp hơn.

Đặc tính hiệu suất và kịch bản ứng dụng của động cơ BLDC

Bây giờ chúng ta hãy xem ưu điểm về hiệu suất của chúng sau khi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC:

Hiệu suất cao: Do không có tổn thất do ma sát từ chổi than và cổ góp nên hiệu suất của chúng thường trên 85%, thậm chí trên 95% trong một số trường hợp.

Đặc tính mô-men xoắn tốc độ tốt: Cung cấp phạm vi công suất mô-men xoắn rộng.

Tuổi thọ cao hơn: Không có các bộ phận mài mòn cơ học, tuổi thọ cuối cùng chỉ bị hạn chế bởi vòng bi.

Cải thiện hiệu suất tản nhiệt: Tiếp xúc trực tiếp giữa cuộn dây stato và vỏ động cơ để tản nhiệt hiệu quả hơn.

Độ ồn thấp và nhiễu điện từ: Không có tia lửa điện và tiếng ồn do chuyển mạch chổi than tạo ra.

Do cấu trúc đặc biệt của nó, động cơ BLDC vượt trội có khả năng cung cấp mô-men xoắn cao hơn ở tốc độ thấp, khiến chúng đặc biệt phù hợp với các hệ thống truyền động trực tiếp, như cánh quạt và quạt của máy bay không người lái, v.v. Với ưu điểm về độ ổn định và độ bền, động cơ không chổi than khiến nó trở thành lựa chọn cung cấp điện trong thiết bị tự động hóa và dụng cụ chính xác.

Các thuật toán điều khiển của động cơ BLDC

Công nghệ điều khiển BLDC hiện đại phát triển hơn đã vượt qua phương pháp chuyển mạch sáu bước đơn giản này:

Điều khiển sóng hình thang: Phương pháp điều khiển cơ bản nhất là dạng sóng dòng điện hình thang. Việc thực hiện đơn giản nhưng tạo ra các gợn sóng mô-men xoắn có biên độ đáng kể.

Điều khiển hình sin: điều khiển động cơ bằng dòng điện hình sin, có thể làm giảm gợn sóng mô-men xoắn của động cơ và giúp động cơ chạy mượt mà hơn.

Điều khiển theo hướng trường (FOC): Bằng cách áp dụng phép biến đổi toán học, dòng điện 3 pha được chuyển sang hệ tọa độ quay để điều khiển, dẫn đến điều khiển mô-men xoắn tối ưu và hiệu suất năng lượng.

Công nghệ tổng hợp cảm biến: Tích hợp nhiều tín hiệu phản hồi (ví dụ: cảm biến Hall, bộ mã hóa và lấy mẫu hiện tại) để kiểm soát độ chính xác và độ bền cao hơn.

Do những thách thức trong các ứng dụng công suất cao, chẳng hạn như quản lý nhiệt, tối ưu hóa hiệu suất và phản ứng động, các thuật toán điều khiển phức tạp hơn thường được sử dụng cho động cơ Big BLDC.

Kết luận: Nguyên lý làm việc và ưu điểm của động cơ BLDC

Động cơ BLDCđiều khiển chính xác dòng điện trong cuộn dây stato thông qua hệ thống điều khiển điện tử và tương tác với nam châm vĩnh cửu của rôto để đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Từ các thiết bị điện tử tiêu dùng nhỏ đến thiết bị công nghiệp lớn, từ ứng dụng điện áp thấp đến hệ thống động cơ BLDC 48V, động cơ DC không chổi than với hiệu suất cao, độ tin cậy cao và hiệu suất điều khiển tuyệt vời đang thúc đẩy tiến bộ công nghệ và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điều khiển điện tử và vật liệu nam châm vĩnh cửu, chúng ta có thể thấy trước rằng động cơ BLDC sẽ có triển vọng ứng dụng rộng rãi hơn và hiệu suất vượt trội hơn.

Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi hoặc có bất kỳ câu hỏi nào, xin vui lòng liên hệliên hệ với chúng tôivà chúng tôi sẽ trả lời bạn trong vòng 24 giờ.