Động Cơ Nam Châm Vĩnh Cửu: Cấu Tạo & Ưu Điểm Của Motor BLDC

Đã bao giờ bạn tự hỏi điều gì khiến chiếc quạt máy nhỏ xinh trên bàn làm việc cứ quay vù vù cả ngày không nghỉ? Hay sức mạnh nào ẩn giấu bên trong con robot thông minh giúp bạn dọn dẹp nhà cửa? Câu trả lời chính là những nam châm vĩnh cửu bé nhỏ nhưng đầy quyền năng! Trong thế giới đầy điện này, chúng đóng vai trò "trái tim" của vô số động cơ, lặng lẽ tạo ra momen xoắn và hiệu suất đáng kinh ngạc.

Bài viết này sẽ đưa bạn vào cuộc hành trình khám phá Động cơ Nam Châm Vĩnh Cửu (BLDC). Không chỉ khô khan về cấu tạo, chúng ta sẽ cùng "mổ xẻ" những ưu điểm tuyệt vời khiến chúng trở thành ngôi sao sáng trong làng động cơ điện. Bạn có tò mò chúng hoạt động như thế nào và tại sao lại "hot" đến vậy không? Giữ chặt tay lái và cùng lên đường nào!

1. Động cơ nam châm vĩnh cửu là gì?

Động cơ BLDC hay còn gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu, là loại động cơ có dạng sóng hình thang. Chính sức phản điện động có kết cấu dạng hình thang này mới chính là yếu tố quyết định để xác định được 1 động cơ BLDC. Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứng giống như các động cơ một chiều thông thường sử dụng chổi than cổ góp thì động cơ BLDC lại sử dụng chuyển mạch điện từ. 

Máy phát điện sử dụng động cơ nam châm vĩnh cửu

Do đó, các cuộn dây của phần ứng đặt trên stator giúp cho pm motor dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây đi ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần. Vì vậy, động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn hẳn so với động cơ 1 chiều truyền thống.

Động cơ 1 chiều nam châm vĩnh cửu không sử dụng chổi than BLDC từ lâu đã đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ truyền động có công suất nhỏ (từ vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, động cơ nam châm vĩnh cửu máy giặt, quạt làm mát trong máy tính cá nhân, các thiết bị văn phòng (máy in, máy scan,...). Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được chế tạo một cách đơn giản và có độ tin cậy cao hơn.

2. Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu 

Trong thực tế, động cơ nam châm vĩnh cửu được chia thành 2 loại chủ yếu dưới đây:

• Động cơ nam châm vĩnh cửu có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài nghìn MW. Cuộn kích từ được cuốn theo 1 cực ẩn hoặc cực lồi.
• Động cơ nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ. Hiện nay còn có 1 loại động cơ đặc biệt: động cơ bước, hay còn gọi là step motor.

Theo kết cấu thì có thể chia thành: 

• Máy điện đồng bộ cực ẩn: Thích hợp với những chiếc máy điện có tốc độ cao (Thường có số cực là 2p = 2 ) 
• Máy  điện  đồng  bộ  có cực  lồi:  Thích  hợp  với  những  máy  có  tốc  độ  thấp (Thường có số cực là 2p ≥ 4 )

Theo chức năng, máy điện đồng bộ lại được chia thành: 

• Máy phát điện đồng bộ: Sử dụng tua bin nước, tua bin hơi hoặc là động cơ diezen,… giúp kéo trục Rotor để phát ra điện.
• Động cơ điện đồng bộ: Thường được chế tạo theo kiểu cực lồi và kéo được các tải ít có yêu cầu điều chỉnh lại tốc độ hay khởi động lại.
• Máy bù đồng bộ: Được dùng chủ yếu để cải thiện hệ số Cosφ bên trong lưới điện.

 Ngoài ra, động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt như: máy đồng bộ tần số cao, máy biến đổi 1 phần ứng, các máy đồng bộ công suất nhỏ thường dùng trong các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển, chẳng hạn như : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước, động cơ đồng bộ phản kháng,…

Động cơ nam châm vĩnh cửu còn có các máy điện đồng bộ đặc biệt

3. Cấu tạo và nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu

a) Cấu tạo của động cơ nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của pm motor là gì? Có khác với động cơ một chiều truyền thống không? Tất nhiên, động cơ BLDC sử dụng để chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu cổ góp chổi than để chuyển mạch cho dòng điện cấp vào trong các cuộn dây thuộc phần ứng. Có thể gọi đây là cơ cấu chuyển đổi mạch tĩnh. 

Để làm được điều đó thì phần ứng của động cơ cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu, chúng ta có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ 1 chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa 2 phần cảm và phần ứng: phần cảm chuyển lên trên rotor và phần ứng ở trên stator. 

Động cơ đồng bộ 1 nam châm vĩnh cửu chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ được kích từ vĩnh cửu sử dụng bộ chuyển đổi chiều điện tử nhằm chuyển mạch theo vị trí rotor. Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua các cảm biến vị trí. Hầu hết các cảm biến vị trí rotor (còn gọi là cực từ) sử dụng cảm biến Hall, cũng có 1 số động cơ sử dụng các cảm biến quang học. 

Mặc dù hầu hết các động cơ được xem chính thống và có năng suất cao đều là động cơ đồng bộ 3 pha, tuy nhiên động cơ BLDC 2 pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động của nó rất đơn giản.

Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua các cảm biến vị trí

b) Nguyên lý động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ BLDC hoạt động hầu hết dựa trên quá trình chuyển mạch của dòng điện. Động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall được đặt trên stator. Trong khi các cực của nam châm ở trên rotor chuyển động đến vị trí của cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến này sẽ có mức logic cao hoặc thấp, điều này còn tùy thuộc vào đó là cực N hay S. 

Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của 3 loại cảm biến để xác định trình tự và thời điểm diễn ra chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha trên bộ phận  stator. Trong quá trình hoạt động, tại thời điểm này chỉ có 2 cuộn dây pha được cung cấp điện, còn cuộn dây thứ 3 sẽ không được cấp điện. Cũng chính vì vậy, việc chuyển mạch của dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra các từ trường quay, đồng thời làm cho roto phải quay theo. 

Như vậy, thứ tự chuyển mạch của dòng điện giữa các cuộn dây pha sẽ phải căn cứ vào chiều quay của phần rotor. Thời điểm chuyển mạch cho dòng điện từ pha này sang pha khác sẽ được xác định sao cho mô men của nó đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mô men do trong quá trình chuyển mạch thì dòng điện là nhỏ nhất. 

Để đạt được yêu cầu trên, chúng ta sẽ phải cấp điện cho cuộn dây vào đúng thời điểm sao cho dòng điện chuyển động trùng pha với sức điện động cảm ứng. Và lúc này dòng 18 điện cũng được điều chỉnh lại để đạt được biên độ không đổi trong 1 góc khoảng cách có độ rộng là 120 độ điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì lúc này dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn, đồng thời cũng gây thêm tổn hao trên bộ phận stato làm giảm đi hiệu suất của động cơ.

Do có mối liên hệ đặc biệt giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rotor nên việc xác định chính xác thời điểm cấp điện cho các cuộn dây pha trên phần stato còn có thể thực hiện được bằng phương pháp xác định vị trí của các rotor nhờ vào các con cảm biến vị trí. 

Thời điểm chuyển mạch của dòng điện chính là thời điểm mà 1 trong 3 tín hiệu cảm biến Hall đã được thay đổi mức độ logic. Trong một chu kỳ điện có 6 sự chuyển mức logic của 3 con cảm biến Hall. Do đó, trình tự chuyển mạch này còn được gọi là trình tự chuyển mạch 6 bước của động cơ BLDC.

Động cơ BLDC làm việc dựa trên quá trình chuyển mạch của dòng điện

4. Những ưu điểm của động cơ nam châm vĩnh cửu so với động cơ cảm ứng

Động cơ nam châm vĩnh cửu không cần sắp xếp cho kích thích trường. Hơn nữa, chúng không có công suất đầu vào tiêu thụ để thực hiện kích thích làm tăng cường hiệu suất cho động cơ DC.

Động cơ BLDC không có cuộn dây trường, vì vậy không gian cho cuộn dây trường cũng sẽ được lưu lại làm giảm đi kích thước tổng thể của động cơ.

Hơn nữa, động cơ BLDC cũng rẻ hơn và tiết kiệm hơn cho các ứng dụng xếp hạng kW phân số. Trong trường hợp này, điều đáng lưu ý là động cơ DC có thể không được bù lại. Do đó, cường độ của từ trường có thể bị suy yếu đi do phản ứng dị ứng gây tình trạng mài mờ.

Ngoài ra, động cơ BLDC còn có 1 cơ hội nhận được các cực từ 1 cách bán khống vĩnh viễn (chỉ 1 phần) do dòng điện áp sinh ra quá nhiều trong quá trình khởi động, gây ra sự đảo ngược và tình trạng quá tải của động cơ.

Một bất lợi lớn hơn nữa của động cơ cảm ứng là từ trường trong khoảng cách không khí được cố định và luôn đặt ra giới hạn khiến nó không thể được kiểm soát từ bên ngoài. Do đó, việc kiểm soát tốc độ rất nhanh của động cơ DC khi ở trong loại động cơ này là cực kỳ khó.

BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử để thay thế cho việc chuyển mạch cơ. Đồng thời, điện áp rơi trên các linh kiện điện tử cũng nhỏ hơn điện áp được điều khiển rơi trên chổi than.

Do BLDC không có chổi than, cổ góp nên sẽ không phải bảo trì chổi than hay cổ góp. Đồng thời, BLDC sẽ không có tia lửa điện khi vận hành, vì vậy cũng ít gây nhiễu hơn.

Với động cơ BLDC, chỉ có các cuộn dây của phần ứng phát sinh nhiệt độ khi làm việc. Ngoài ra, các cuộn dây phần ứng cũng được bố trí ở stator cho phép tản nhiệt tốt hơn qua phần vỏ của động cơ. Với động cơ 1 chiều thông thường, những tổn hao nhiệt xuất hiện ở cả phần dây quấn stator và rotor. Ngoài ra, việc tỏa nhiệt của phần dây quấn rotor sẽ trở nên khó khăn hơn. 

Động cơ BLDC sử dụng các nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng vật liệu tiên tiến, do đó sẽ không có tổn hao gì trên rotor.

Mô men quán tính của rotor động cơ BLDC thường nhỏ hơn so với mô men quán tính của rotor động cơ 1 chiều thông thường.

5. Ứng dụng của động cơ nam châm vĩnh cửu:

• Thiết bị điện tử: Máy tính, điện thoại, quạt máy, máy giặt, máy sấy, máy hút bụi, máy điều hòa, ổ đĩa quang,...
• Phương tiện giao thông: Xe điện, xe hybrid, xe máy điện, xe đạp điện, xe nâng,...
• Công nghiệp: Máy móc tự động, robot, máy CNC, máy in, máy dệt, máy nén khí, máy bơm,...
• Y tế: Máy xét nghiệm, máy chụp X-quang, máy MRI, máy trợ tim,...
• Năng lượng: Máy phát điện gió, tuabin gió, máy phát điện năng lượng mặt trời,...

6. So sánh chi tiết động cơ nam châm vĩnh cửu với động cơ cảm ứng:

7. Hướng dẫn lựa chọn động cơ nam châm vĩnh cửu:

• Căn cứ vào công suất: Xác định công suất cần thiết cho ứng dụng của bạn.
• Căn cứ vào tốc độ: Xác định tốc độ cần thiết cho ứng dụng của bạn.
• Căn cứ vào mô-men xoắn: Xác định mô-men xoắn cần thiết cho ứng dụng của bạn.
• Căn cứ vào môi trường hoạt động: Xác định môi trường hoạt động của động cơ (nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn,...).
• Căn cứ vào ngân sách: Xác định ngân sách bạn có thể chi trả cho động cơ.

Kết luận:

Động cơ nam châm vĩnh cửu không chỉ nghe "ngầu" mà còn thực sự ấn tượng! Với ưu điểm bền bỉ, hiệu quả cao, chạy êm ru, lại thân thiện với môi trường, loại động cơ này đang ngày càng "chiếm sóng" khắp các lĩnh vực, từ máy tính nhỏ xinh đến xe điện hiện đại. Nếu bạn đang tìm kiếm một "trợ thủ" mạnh mẽ, tiết kiệm và bền bỉ, thì đừng ngại tìm hiểu thêm về thế giới của động cơ nam châm vĩnh cửu nhé!

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

• Động Cơ Điện Cảm Ứng Là Gì? Sự Khác Biệt Giữa Động Cơ Đồng Bộ Và Động Cơ Cảm Ứng
• Động Cơ Điện 3 Pha: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng
• Giá Động Cơ Điện 3 Pha - Giá Motor Điện 3 Pha
• Động Cơ Điện: Cấu Tạo, Ứng Dụng, Thông Số Kỹ Thuật Và Cách Lựa chọn
• Động Cơ Điện 1 Pha: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng
• Thông Số Kỹ Thuật Motor Điện 1 Pha Và Motor 3 Pha
• Motor Điện Là Gì? Các Phương Pháp Khởi Động Motor 3 Pha