Động cơ Không chổi than – BLDC là gì?

 

Động cơ Không chổi than BLDC là gì?

Động cơ không chổi than – BLDC (Brushless DC Motor) là một loại động cơ điện sử dụng nguồn điện một chiều (DC) nhưng không có chổi than (brush) như động cơ DC truyền thống và sử dụng mạch điện tử để thay đổi dòng điện đi qua cuộn dây stator, làm quay rotor có các nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo nó giống như động cơ 3 pha AC nhưng được điều khiển bằng bộ điều tốc (ESC). Thường được gọi ngắn gọn là Brushless Motor.

Động cơ không chổi than BLDC hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa các nam châm trên rotor và dòng điện xoay chiều trong cuộn dây stator. Thay vì dùng chổi than và bộ chỉnh lưu cơ, BLDC sử dụng bộ điều khiển điện tử (electronic controller) để điều chỉnh dòng điện đến các cuộn dây stator, các cuộn dây stator được nối và ngắt theo thứ tự nhất định, tạo ra từ trường xoay quanh trục khiến rotor quay.

Bộ điều khiển điện tử sẽ dựa vào tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để biết thời điểm chuyển pha dòng điện sao cho từ trường sinh ra tạo mômen quay cho rotor.

Động cơ BLDC có ưu điểm về hiệu suất cao, độ ồn thấp, độ bền cao, điều khiển chính xác và khả năng phản ứng nhanh.

Động cơ không chổi than đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều thiết bị điện gia dụng như máy khoan pin không chổi than, máy bắn vít không chổi than, máy siết bu lông không chổi than, quạt điện không chổi than… Chúng thường sử dụng pin hoặc nguồn điện DC làm nguồn năng lượng. Các sản phẩm motor không chổi than 12v, 24v, 220v rất phổ biến trên thị trường.

So với động cơ có chổi than và không chổi than

Bảng so sánh động cơ điện 1 chiều DC: có chổi than và không chổi than:

Thuộc Tính	Động Cơ Có Chổi Than (DC)	Động Cơ Không Chổi Than (BLDC)
Tuổi Thọ	Thường có tuổi thọ thấp hơn do chổi than dễ hỏng và yêu cầu bảo dưỡng định kỳ.	Có tuổi thọ cao hơn do không sử dụng chổi than và ít hư hỏng.
Hoạt Động Thông Thường	Thường phát ra tiếng ồn và gây ồn ào do tiếp xúc giữa chổi than và cây gạt.	Hoạt động êm ái và ít gây ồn ào vì không có tiếp xúc cơ khí chống than.
Chi Phí Bảo Dưỡng, Sửa Chữa	Đòi hỏi chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên hơn do cần thay chổi than.	Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thấp hơn do ít bộ phận cơ khí và chổi than.
Khả Năng Đảo Chiều Xoay	Có khả năng đảo chiều xoay, nhưng thường cần bộ chuyển đổi hoặc vi mạch đảo chiều.	Có khả năng đảo chiều xoay linh hoạt thông qua điều khiển điện tử.
Điều Khiển	Điều khiển đơn giản thông qua việc thay đổi điện áp đến chổi than.	Điều khiển điện tử chính xác cho phép kiểm soát tốc độ và vị trí một cách chính xác.
Hiệu Suất	Hiệu suất thấp hơn do mất mát năng lượng từ tiếp xúc ma sát chổi than.	Hiệu suất cao hơn, tiết kiệm điện năng do không có mất mát năng lượng chổi than.
Khởi Động và Dừng	Khởi động và dừng đột ngột có thể gây hỏng hóc chổi than.	Khởi động nhanh chóng, dừng đột ngột mà không bị hỏng hóc.
An Toàn	Thường ít an toàn hơn vì có nguy cơ cháy nổ do tạo ra tia lửa điện và hạn chế trong điều khiển.	An toàn hơn trong sử dụng do ít phát sinh tia lửa điện và không có nguy cơ cháy nổ.

Nhờ những ưu điểm trên, động cơ BLDC đã thay thế gần như hoàn toàn động cơ có than chổi trong nhiều ứng dụng hiện đại. Một số ứng dụng tiêu biểu của BLDC:

• Các thiết bị gia dụng: quạt máy tính, ổ đĩa cứng, máy giặt, máy sấy,… Sử dụng BLDC giúp các thiết bị hoạt động êm hơn, ít bụi và độ bền cao hơn.
• Động cơ servo trong công nghiệp: máy CNC, robot công nghiệp, máy dập khuôn,… nhờ độ chính xác cao và mômen xoắn lớn ở tốc độ thấp.
• Xe điện, máy bay điện: nhờ tỉ số công suất/khối lượng cao, hiệu suất cao.
• Mô hình xe, máy bay điều khiển từ xa (RC): đáp ứng nhu cầu công suất lớn trong không gian nhỏ.
• Drone, FPV: Thiết bị bay này chỉ dùng động cơ không chổi than với hiệu suất cao và dòng điện lớn.

 

Các thành phần chính của một hệ thống động cơ BLDC

• Rotor: bao gồm nam châm vĩnh cửu, không có cuộn dây.
• Stator: gồm các cuộn dây quấn trên lõi thép. Tạo ra từ trường quay khi dòng điện chạy qua.
• Cảm biến vị trí: cảm biến Hall hoặc cảm biến encoder để phát hiện vị trí của rotor.
• Bộ điều khiển điện tử/điều tốc (Electronic Speed Controller- ESC): chứa các mạch điện tử để xử lý tín hiệu từ cảm biến vị trí và điều khiển các transistor tắt/mở dòng điện vào stator. Vi điều khiển thường được dùng trong các ứng dụng hiện đại.

 

Có hai loại cuộn dây stator phổ biến là tam giác Delta (Δ) và ngôi sao Wye (Y). Mạch kết nối hình Y có điện áp thấp hơn nhưng dòng điện cao hơn. Ngược lại, mạch Delta có điện áp cao hơn nhưng dòng điện thấp hơn. Cuộn dây tam giác có mômen xoắn lớn ở tốc độ thấp trong khi cuộn dây ngôi sao có vùng hoạt động tốc độ rộng hơn.

Hiệu suất và hiệu năng

Khi nói về hiệu suất của drone, chúng ta thường nghĩ đến thời gian bay. Thật không may, công nghệ pin tiên tiến nhất hiện nay không thể cạnh tranh được với động cơ đốt trong về tỷ lệ trọng lượng/năng lượng. Giải pháp duy nhất là lựa chọn cẩn thận các bộ phận điện để sử dụng năng lượng pin hiệu quả nhất.

Nhiều yếu tố có thể tối ưu hóa việc tiêu thụ năng lượng của pin. Một trong những yếu tố đó là hiệu suất của động cơ. Hiệu suất càng cao sẽ giúp tăng tỷ lệ trọng lượng/năng lượng, do đó mang lại hiệu suất cao hơn từ động cơ và chính chiếc drone. Kiểm tra động cơ là điều thiết yếu để nhận biết sự khác biệt giữa các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất và chất lượng thực tế của động cơ.

Để minh họa ý tưởng này, chúng tôi trình bày một so sánh giữa hai động cơ BLDC tương tự nhưng thuộc các phân khúc giá khác nhau.

Để so sánh hiệu suất của các động cơ, chúng tôi sử dụng bộ đo lực đẩy RCbenchmark Series 1580. Nó có khả năng đo lực đẩy, mômen xoắn, điện áp, dòng điện, vòng quay/phút và hiệu suất.

Việc thu thập dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm RCbenchmark. Hai động cơ được thử nghiệm là T2407s với Kv lần lượt là 1500 và 2300. Cả hai động cơ đều quay cùng một cánh quạt 7 inch với pitch là 4.

Đồ thị đầu tiên trong Hình 7 hiển thị hiệu suất của cả hai động cơ so với mức ga. Đồ thị thứ hai cho thấy hiệu suất ở các tốc độ cụ thể. Rõ ràng, động cơ nhỏ hơn 1500 Kv yêu cầu nhiều ga hơn để vận hành hiệu quả.

Nó sẽ không đạt được hiệu suất như động cơ 2300 Kv trong bối cảnh này với cùng một cánh quạt. Phạm vi hiệu suất của động cơ 2300 Kv cũng tốt hơn, có nghĩa là động cơ duy trì hiệu suất cao ở cả tốc độ thấp và cao nhất.

Mặt khác, động cơ nhỏ hơn có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn và có lẽ sẽ hiệu quả hơn với một cánh quạt nhỏ hơn. Một drone dùng cho vận chuyển sẽ sử dụng động cơ nhỏ hơn để có thể duy trì tốc độ chậm và ổn định khi lơ lửng.

Để có được so sánh đầy đủ, chúng ta cần biết mục đích của drone và tốc độ hoạt động của nó. Có khả năng động cơ 1500 Kv sẽ hiệu quả hơn với cánh quạt khác phù hợp với chức năng khác. Chỉ thông qua kiểm tra, chúng ta mới có thể tìm ra được điều đó.

Phân loại Động cơ Không chổi than BLDC

Phân loại theo cấu tạo

Nguyên lý: Mọi động cơ không chổi than đều bao gồm hai bộ phận chính, stator và rotor. Stator là bộ phận tĩnh, không di chuyển, và nó giữ các nam châm điện. Rotor là bộ phận quay, giữ các nam châm vĩnh cửu. Có hai loại động cơ một chiều không chổi than: loại quay trong và loại quay ngoài.

• Loại rotor ngoài: Ở dạng rotor ngoài, nam châm trên rotor bao quanh phía ngoài stator. Loại này thường có nhiều cực hơn, mômen xoắn lớn hơn ở tốc độ thấp. Loại này phổ biến nhất cho nhiều ứng dụng khác nhau.
• Loại rotor trong: Loại này tương tự động cơ có chổi than truyền thống, phù hợp để nâng cấp, thay thế các ứng dụng tương tự. Thường gặp ở trong các dụng cụ cầm tay như khoan pin, máy mày pin,…hay các loại thiết bị gia dụng dùng pin như máy hút bụi, robot hút bụi, máy lọc không khí…

Đối với động cơ quay trong, rotor quay ‘bên trong’ stator, hoặc xa hơn so với vỏ động cơ. Động cơ quay ngoài có cấu hình ngược lại, rotor quay “bên ngoài” stator hoặc gần hơn với vỏ động cơ.Cả hai mô hình đều có ưu điểm và nhược điểm trong các ứng dụng khác nhau.

Khi so sánh một động cơ quay trong và một động cơ quay ngoài có cùng kích thước, dễ thấy đường kính mà lực tác dụng là khác nhau. Điều này xảy ra vì các nam châm điện chiếm nhiều không gian hơn so với rotor mang các nam châm vĩnh cửu. Nếu các nam châm điện nằm bên trong, đường kính lớn hơn so với khi chúng nằm bên ngoài.

Ngoài kích thước, hậu quả đối với hiệu suất của động cơ cũng quan trọng cần xem xét. Đường kính lớn hơn có nghĩa là mômen xoắn lớn hơn vì lực tác dụng cách xa trục quay hơn, trong khi đường kính nhỏ hơn sẽ tốt hơn cho tốc độ vòng quay cao.

Do đó, động cơ quay trong hoạt động tốt nhất ở tốc độ cao nhưng tạo ra mômen xoắn nhỏ hơn trong khi động cơ quay ngoài hoạt động tốt nhất với cánh quạt lớn hơn vì chúng có thể tạo ra mômen xoắn lớn hơn, nhưng quay chậm hơn.

Phân loại theo công suất

Nếu xét về ứng dụng thì có thể phân theo ứng dụng với 2 loại chúng ta gặp nhiều nhất:

BLDC công suất lớn – Dòng điện >10A: Đây là loại động cơ có công suất lớn, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu động lực mạnh, như máy móc công nghiệp, xe điện, thiết bị bay như drone, FPV, máy bay mô hình RC. Động cơ này có hiệu suất cao và khả năng chịu tải tốt, giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và tăng tuổi thọ của động cơ.

Thường sẽ đi kèm bộ điều tốc ESC công suất lớn với nguồn tải từ vài chục đến cả trăm Ampe.

BLDC nhỏ Dòng điện<10A: Là loại động cơ có công suất nhỏ hơn, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu vận hành êm ái và tiết kiệm điện, như quạt làm mát máy tính hoặc điều hòa không khí. Động cơ này có độ ồn thấp và hiệu suất cao, giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và tăng tuổi thọ của động cơ.

Phân loại theo cách hoạt động

Một số loại động cơ không chổi than phổ biến:

Động cơ một chiều không chổi than (DC brushless motor): Sử dụng nguồn điện DC, thường dùng trong các thiết bị cầm tay như máy khoan, máy đánh bóng…

Động cơ không đồng bộ không chổi than (AC asynchronous brushless motor): Sử dụng nguồn điện AC, thường dùng trong các động cơ công suất lớn.

Động cơ đồng bộ không chổi than (AC synchronous brushless motor): Sử dụng nguồn điện AC, thường dùng trong máy bơm, quạt, máy nén khí…

Động cơ tuyến tính không chổi than (Linear brushless motor): Tạo chuyển động tuyến tính thay vì xoay tròn, thường dùng trong máy in 3D, robot công nghiệp.

Ứng dụng của động cơ BLDC

Trong lĩnh vực gia dụng

Động cơ không chổi than được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy khoan, máy đánh bóng sàn, máy hút bụi, quạt thông gió, quạt điều hòa. Các sản phẩm motor hút bụi không chổi than ngày càng phổ biến trên thị trường.

Trong lĩnh vực công nghiệp

Động cơ không chổi than được ứng dụng trong các máy công cụ, máy in 3D, robot công nghiệp, máy bay không người lái, ô tô điện. Động cơ này giúp nâng cao độ chính xác, công suất hoạt động và độ bền của các thiết bị.

Ứng dụng trong ngành công nghiệp drone – thiết bị bay

Vì những lý do đã mô tả ở trên, các loại xe bay điện thẳng đứng thường sử dụng động cơ quay ngoài để tạo lực đẩy thẳng đứng do mômen xoắn lớn của chúng. Động cơ quay trong thường được sử dụng cho các động cơ phản lực ống dẫn hoặc máy bay cánh cố định và cho các chuyển động ngang yêu cầu tốc độ cao. Điều này dễ hiểu thông qua giá trị Kv của động cơ, còn được gọi là giá trị RPM/Volt của nó.

Giá trị này xác định tốc độ mà động cơ sẽ quay nếu cung cấp 1V vào nó. Do đó, động cơ quay trong thường có giá trị Kv cao hơn so với động cơ quay ngoài có cùng kích thước vì, như đã nói ở trên, động cơ quay trong có rotor nhỏ hơn quay nhanh hơn ở cùng một điện áp. Bạn thường thấy giá trị Kv được hiển thị đầu tiên khi duyệt các động cơ không chổi than.

Cách chọn một động cơ động cơ không chổi than

Tiêu chí chính đế chọn một motor BLDC:

• Loại động cơ: Có nhiều loại động cơ BLDC khác nhau, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng khi sử dụng trong các môi trường cụ thể.
• Kích thước động cơ: Kích thước của động cơ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và sự phù hợp của nó đối với ứng dụng cụ thể của bạn.
• Loại bộ điều khiển: Loại bộ điều khiển có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ và khả năng tương thích với hệ thống của bạn.
• Giá cả: Chi phí của động cơ có thể là một yếu tố quan trọng, đặc biệt nếu bạn đang làm việc trong phạm vi ngân sách.
• Xếp hạng động cơ: Các nhà sản xuất động cơ BLDC sử dụng nhiều thông số để mô tả sản phẩm của họ. Chúng bao gồm định mức điện áp và dòng điện, mô-men xoắn, tốc độ và các thông số khác.

Thông số kỹ thuật chính mà bạn cần quan tâm khi chọn động cơ một chiều không chổi than:

1. Giá trị Kv: Đo bằng vòng/phút/volt hay RPM/v.
2. Điện áp tham chiếu (V): Điện áp đầu cực định mức của động cơ.
3. Dòng điện (I): Dòng điện mà động cơ sẽ tạo ra khi hoạt động trong mô men xoắn định mức.
4. Dòng điện cực đại (IpK): Lượng dòng điện tối đa mà động cơ nên tiêu thụ.
5. Dòng không tải (INL): Lượng dòng điện mà động cơ rút ra khi không có tải cần khắc phục.
6. Điện trở: Dùng để biểu thị điện trở của cuộn dây trên động cơ.
7. Độ tự cảm (L): Dùng để tính tổng trở kháng cuộn dây.
8. Nhiệt độ (T): Dùng để biểu thị nhiệt độ hoạt động của động cơ.
9. Mô-men xoắn liên tục (Tc): Mô-men xoắn cho một tốc độ nhất định.
10. Hằng số động cơ (Km): Dùng để biểu thị tỷ số công suất/mô-men xoắn của động cơ.

Cuối cùng, hãy nói về những gì cần tìm kiếm khi chọn một động cơ. Đặc điểm quan trọng nhất là giá trị Kv của động cơ, mô tả tốc độ quay mà bạn nhận được cho công suất đầu vào vào động cơ. Một động cơ với Kv 2000 sẽ quay với 2000 vòng/phút cho mỗi volt cung cấp cho động cơ.

Kích thước liên quan chặt chẽ đến Kv. Một động cơ rộng và lớn thường có mômen xoắn lớn hơn nhưng Kv thấp hơn và sẽ sử dụng cánh quạt lớn hơn, trong khi một động cơ mỏng nhưng dài hơn sẽ có Kv cao, mômen xoắn thấp và phù hợp nhất với cánh quạt nhỏ.

Điều này dễ hiểu khi xét rằng động cơ lớn hoạt động ở tốc độ thấp hơn trong khi động cơ nhỏ hoạt động ở tốc độ tương đối cao.

Công suất tối đa của động cơ cũng là điều cần xem xét. Vượt quá giới hạn công suất của động cơ sẽ khiến động cơ bị nóng lên và do đó làm giảm đáng kể hiệu suất hoặc thậm chí làm hỏng nó. Nhãn hiệu cũng có thể thay đổi hiệu suất của động cơ. Với cùng giá trị Kv, động cơ của một nhãn hiệu có thể hoạt động tốt hơn so với các nhãn hiệu khác. Vì vậy, bạn nên kiểm tra động cơ của mình trước khi lắp ráp drone xung quanh nó.

Nguồn dịch và tham khảo: https://www.tytorobotics.com/blogs/articles/how-brushless-motors-work