Động cơ điện DC không chổi than là gì? Và ứng dụng thực tế

Động cơ điện DC không chổi than là gì?

Động cơ điện một chiều không chổi than (Brushless DC Motor – BLDC), còn gọi là động cơ điện tử chỉnh lưu, là một loại động cơ đồng bộ sử dụng nguồn điện một chiều (DC).

BLDC sử dụng bộ điều khiển điện tử để chuyển đổi dòng DC đến cuộn dây động cơ, tạo ra các từ trường quay trong không gian, mà roto nam châm vĩnh cửu  theo dõi chuyển động này.

Bộ điều khiển điều chỉnh pha và biên độ của các xung dòng điện, từ đó kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.

Đây là cải tiến so với cổ góp cơ học (chổi than) được sử dụng trong nhiều động cơ điện truyền thống, giúp tăng độ bền, giảm bảo trì và nâng cao hiệu suất.

Cấu tạo của động cơ không chổi than

Cấu tạo của động cơ BLDC thường tương tự như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), nhưng cũng có thể là động cơ kháng từ chuyển mạch hoặc động cơ cảm ứng.

BLDC có thể sử dụng nam châm neodymium mạnh, và được phân loại theo cấu trúc rotor-stator:

• Outrunner: Stator nằm bên trong, rotor bao quanh bên ngoài.
• Inrunner: Rotor nằm bên trong, stator bao quanh bên ngoài.
• Axial: Rotor và stator dạng phẳng song song, không dạng trụ truyền thống.

Ưu điểm

Ưu điểm của động cơ không chổi than (BLDC)

• Tỷ số công suất trên khối lượng cao: Động cơ nhẹ nhưng mạnh mẽ.
• Tốc độ cao: Có khả năng vận hành ở tốc độ lớn.
• Điều khiển tức thì: Tốc độ (rpm) và mô-men xoắn có thể được điều chỉnh gần như ngay lập tức.
• Hiệu suất cao: Tiết kiệm năng lượng so với động cơ có chổi than.
• Bảo trì thấp: Không cần thay chổi than hay các cơ cấu mài mòn.

Ứng dụng:

• Thiết bị ngoại vi máy tính: Ổ đĩa cứng, máy in.
• Dụng cụ cầm tay: Khoan, máy cưa, máy vặn vít.
• Phương tiện giao thông: Từ mô hình máy bay, xe mô hình đến ô tô.
• Thiết bị gia dụng hiện đại: Trong máy giặt, BLDC cho phép thiết kế truyền động trực tiếp (direct-drive), thay thế dây curoa và hộp số.

Bối cảnh

• Động cơ một chiều (DC) có chổi than được phát minh vào thế kỷ 20 và vẫn phổ biến cho đến nay. Động cơ DC không chổi than trở nên khả thi nhờ sự phát triển của điện tử bán dẫn vào thập niên 1960.
• Một động cơ điện tạo ra mô-men xoắn bằng cách giữ cho các trường từ của rôto (phần quay của máy) và stato (phần cố định của máy) lệch pha so với nhau. Một hoặc cả hai bộ nam châm có thể là nam châm điện, được tạo bởi một cuộn dây quấn quanh lõi sắt.
• Dòng điện DC chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường, cung cấp năng lượng vận hành động cơ. Sự lệch pha giữa các trường tạo ra mô-men xoắn nhằm tái căn chỉnh các trường.
• Khi rôto quay và các trường bắt đầu thẳng hàng, cần phải di chuyển từ trường của rôto hoặc stato để duy trì sự lệch pha và tiếp tục sinh ra mô-men xoắn cũng như chuyển động. Thiết bị thực hiện việc di chuyển này dựa trên vị trí của rôto được gọi là bộ chổi than.

Chổi than và bộ chổi than

• Trong các động cơ có chổi than, việc đảo chiều dòng điện được thực hiện bằng một công tắc quay trên trục động cơ gọi là bộ chổi than. Bộ này gồm một trụ hoặc đĩa quay được chia thành nhiều đoạn tiếp xúc kim loại trên rôto.
• Tuy nhiên, bộ chổi than có một số nhược điểm, dẫn đến sự suy giảm sử dụng động cơ có chổi than. Các nhược điểm chính bao gồm:
• Tổn thất do ma sát: Ma sát của chổi than trượt trên các đoạn tiếp xúc quay gây ra mất năng lượng, có thể đáng kể đối với động cơ công suất thấp.
• Mài mòn và bụi: Vật liệu chổi than mềm bị mài mòn do ma sát, tạo bụi, và cuối cùng chổi than phải được thay thế. Điều này làm cho động cơ có chổi than không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu ít bụi hoặc kín như động cơ ổ cứng, cũng như các ứng dụng yêu cầu vận hành không cần bảo trì.
• Điện trở của tiếp xúc trượt: Điện trở tại điểm tiếp xúc giữa chổi và bộ chổi than gây ra sụt áp trong mạch động cơ (gọi là brush drop), tiêu tốn năng lượng.
• Tia lửa và nhiễu điện từ: Việc đảo chiều dòng điện đột ngột qua điện cảm của cuộn dây gây ra tia lửa tại các tiếp điểm của bộ chổi than, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ trong môi trường dễ cháy và là nguồn nhiễu điện từ, ảnh hưởng đến các mạch vi điện tử gần đó.

Giải pháp động cơ DC không chổi than

Động cơ DC có chổi than phát triển momen xoắn tối đa khi đứng yên, và giảm tuyến tính khi tốc độ tăng. Một số hạn chế của động cơ có chổi than có thể được khắc phục nhờ động cơ không chổi than, bao gồm hiệu suất cao hơn và giảm mài mòn cơ học.

Một động cơ không chổi than điển hình có nam châm vĩnh cửu quay xung quanh stato cố định, loại bỏ các vấn đề liên quan đến việc dẫn dòng điện vào phần rôto đang chuyển động. Bộ điều khiển điện tử thay thế cho bộ chổi than của động cơ DC có chổi than, liên tục chuyển pha cho các cuộn dây để duy trì chuyển động của động cơ.

Động cơ không chổi than mang lại nhiều ưu điểm so với động cơ DC có chổi than, bao gồm:

• Tỉ lệ momen/khối lượng cao
• Hiệu suất tăng, tạo ra nhiều momen hơn trên mỗi watt tiêu thụ
• Độ tin cậy cao hơn, giảm tiếng ồn
• Tuổi thọ dài hơn, loại bỏ mài mòn chổi than và bộ chổi than
• Loại bỏ tia lửa từ bộ chổi than
• Giảm nhiễu điện từ (EMI) tổng thể.

Ứng dụng

Vận tải

Động cơ không chổi than được sử dụng trong xe điện, xe hybrid, phương tiện cá nhân và máy bay điện. Hầu hết xe đạp điện sử dụng động cơ không chổi than, đôi khi được tích hợp trực tiếp vào trục bánh xe, với stato cố định chắc chắn vào trục và nam châm gắn trên bánh xe, quay cùng bánh. Nguyên lý tương tự cũng được áp dụng cho bánh xe của xe cân bằng tự động.

Hầu hết các mô hình điều khiển từ xa chạy điện cũng sử dụng động cơ không chổi than nhờ hiệu suất cao của chúng.

Dụng cụ không dây

Động cơ không chổi than được sử dụng trong nhiều dụng cụ không dây hiện đại, bao gồm máy cắt cỏ, máy thổi lá, máy cưa (cưa tròn và cưa gỗ chạy qua lại), và máy khoan/vặn vít.

Ưu điểm về trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao của động cơ không chổi than so với động cơ chổi than trở nên quan trọng hơn đối với các dụng cụ cầm tay chạy bằng pin so với các dụng cụ lớn, cố định được cắm vào nguồn AC.

Sưởi ấm và thông gió

Hiện nay, trong ngành sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) cùng với ngành làm lạnh, có xu hướng sử dụng động cơ không chổi than thay cho các loại động cơ AC khác.

Lý do quan trọng nhất để chuyển sang động cơ không chổi than là giảm lượng điện năng cần thiết để vận hành, so với một động cơ AC thông thường.

Ngoài việc động cơ không chổi than có hiệu suất cao hơn, các hệ thống HVAC, đặc biệt là những hệ thống điều chỉnh tốc độ biến thiên hoặc điều chỉnh tải, sử dụng động cơ không chổi than để vi xử lý tích hợp trong hệ thống có thể điều khiển liên tục luồng khí và làm mát.

Kỹ thuật công nghiệp

Việc ứng dụng động cơ DC không chổi than trong kỹ thuật công nghiệp chủ yếu tập trung vào kỹ thuật sản xuất hoặc thiết kế tự động hóa công nghiệp.

Động cơ không chổi than đặc biệt phù hợp với các ứng dụng sản xuất nhờ vào mật độ công suất cao, đặc tính tốc độ-mô-men tốt, hiệu suất cao, dải tốc độ rộng và bảo trì thấp.

Các ứng dụng phổ biến nhất của động cơ DC không chổi than trong kỹ thuật công nghiệp bao gồm:

• Điều khiển chuyển động
• Bộ truyền động van tuyến tính
• Động cơ servo
• Bộ truyền động van cho robot công nghiệp 
• Động cơ truyền động ép đùn
• Bộ truyền động van cấp liệu cho máy CNC

Mô hình hàng không

Động cơ không chổi than đã trở thành lựa chọn phổ biến cho máy bay mô hình, bao gồm trực thăng và drone.

Tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao cùng dải kích thước phong phú của chúng đã cách mạng hóa thị trường máy bay mô hình chạy điện, gần như thay thế hoàn toàn các động cơ điện chổi than, ngoại trừ các máy bay mô hình công suất thấp, giá rẻ hoặc loại đồ chơi.

Xe điều khiển từ xa

Động cơ không chổi than cũng ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xe điều khiển từ xa (RC). Chúng đã được cho phép sử dụng trong các cuộc đua xe RC tại Bắc Mỹ theo tiêu chuẩn Radio Operated Auto Racing (ROAR) từ năm 2006.

Những động cơ này cung cấp công suất lớn cho các tay đua RC và, khi kết hợp với hệ truyền động thích hợp cùng pin lithium polymer (Li-Po) hoặc lithium iron phosphate (LiFePO4) có khả năng xả cao, các xe này có thể đạt tốc độ trên 160 km/h (99 mph).

Robot chiến đấu

Động cơ không chổi than được sử dụng rộng rãi thay thế cho động cơ chổi than trong môn thể thao robot chiến đấu. Chúng được áp dụng cho mọi hạng cân, từ 75 gram đến 250 pound.

Khi dùng cho hệ truyền động, động cơ không chổi than thường được kết hợp với hộp số hành tinh (planetary gearbox) để giảm tốc độ đầu ra, giúp robot dễ điều khiển hơn.