Bài giảng Máy điện trong thiết bị tự động và điều khiển (Phần 1)

ờng phản ứng phần ứng để cảm ứng dòng điện đưa ra tải. Như vậy trong dây quấn phần ứng gồm có hai dòng điện : dòng điện thứ nhất tạo ra từ trường ngang và dòng điện thứ hai đưa ra dùng được tạo nên bởi từ trường ngang đó. Cặp chổi than 11 đặt trên đường TTHH và được nối với nhau, cặp chổi than 22 đặt lệch 900 so với cặp chổi than 11 và nối với đầu dây ra của máy. Để đặt các dây quấn nói trên, lá thép của Stator có dạng như hình sau : 1. Dây quấn điều khiển, 2. Dây quấn bù, 3. Dây quấn cực từ phụ, 4. Dây quấn trợ từ, 5. Dây quấn khử từ trễ trên mạch từ stator. Nguyên lý làm việc của MĐKĐ: Tín hiệu được đặt vào dây quấn kích thích gọi là cuộn điều khiển. Như vậy công suất ở mạch vào: Pđk = Uđk. Iđk Dòng điện Iđk sinh ra từ thông dọc trục đk, và cảm ứng sđđ E1 ở 2 đầu chổi than 11. Vì 11 ngắn mạch nên có dòng I1 khá lớn chạy trong chổi than. Dòng I1 sinh ra từ thông 1, và cảm ứng sđđ E2 khá lớn, tạo nên điện áp U2 và cung cấp ra ngoài một dòng điện I2 nào đó. Pđk = Uđk. Iđk → P1 = U1. I1 → P2 = U2. I2 Như vậy ta đã khống chế được công suất từ Pđk → P2 khá lớn. Hệ số khuếch đại công suất : kp có thể lên đến trị số 8000 ÷ 10000. MĐKĐ có thể dùng để duy trì điện áp, dòng điện hay duy trì tốc độ quay của một động cơ nào đó nhanh và nhạy. Thí dụ để duy trì điện áp của máy phát điện một chiều không đổi người ta dùng MĐKĐ để cung cấp dòng điện kích thích cho máy phát một chiều. Lấy tín hiệu bằng cách lấy điện áp trên điện trở ra của máy phát một chiều đưa về cuộn điều khiển thứ hai của MĐKĐ. Sức từ động của cuộn một và hai cộng nhau Khi tải tăng thì điện áp của máy phát điện một chiều sẽ giảm do phản ứng phần ứng và điện áp rơi trên phần ứng. Để khắc phục tình trạng này người ta dùng sơ đồ sau để duy trì điện áp UF của máy phát điện một chiều không đổi khi I tăng. Sơ đồ mạch ứng dụng MĐKĐ ổn định điện áp máy phát điện. Khi I tăng → U tăng → It2 tăng → = (1 + 2) tăng → U MĐKĐ tăng → ItF tăng → UF tăng đến U ban đầu. Một ứng dụng của MĐKĐ dùng duy trì điện áp và tốc độ ĐC không đổi.: Mạch có chức năng như sau : Giữ : UĐ = const., I ≤ Iđm, nđm = const. 2.2.5 Máy điện không đồng bộ dùng biến đổi tần số 2.2.5.1 Nguyên lý làm việc Máy điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể dùng làm máy biến đổi tần số f1 sang f2. Xét trường hợp f2 > f1 Dây quấn Stato MĐKĐB rôto dây quấn BT nối với lưới điện có tần số f1, roto được 1 ĐC sơ cấp ĐK kéo quay ngược chiều với từ trường quay. Tần số của sđđ cảm ứng ở dây quấn roto Dây quấn rôto nhận năng lượng từ 2 phía. Một phần từ phía stato chuyển qua nhờ từ trường quay, một phần từ động cơ sơ cấp ĐK truyền qua theo trục của rôto . P2 = m2 s E2 I2 cosψ2 Trong đó m2 và E2 là số pha và sđđ của rôto khi đứng yên. Công suất điện từ chuyển từ stato sang roto bằng : Pđt = m2 E2 I2 cosψ2 Khi s > 1 thì P2 > Pđt , máy lấy công suất từ trục động cơ sơ cấp ĐK vào và công suất cơ đó bằng: Pcơ = P2 – Pđt.= m2 (s-1)E2 I2 cosψ2 2.2.5.2 Ứng dụng Máy điện không đồng bộ dùng biến đổi tần số thường cấp điện tần số f2 từ 100 đến 200Hz dùng trong công nghiệp 2.2.6 Máy biến đổi một phần ứng Là loại máy điện quay dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều AC sang dòng điện một chiều DC hoặc ngược lại. Sự biến đổi đó được thực hiện dựa trên cơ sở cấu tạo của máy điện một chiều và máy điện đồng bộ có chung một phần ứng. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Vì sđđ cảm ứng trên dây quấn phần ứng là dòng điện xoay chiều và có thể biểu thị bằng đa giác sức điện động, nên ở m điểm cách đều dây quấn đó sđđ sẽ lệch pha nhau một góc 2/m. Nối m vành trượt với m điểm đó thì từ các chổi than tiếp xúc với các vành trượt đó ta sẽ được sđđ m pha. -Biến đổi điện MC sang điện XC: + cấp điện UMC, trong mạch MC máy làm việc như ĐCMC + trong mạch XC, máy làm việc như MFĐB 3 pha, phát ra điện UXC -Biến đổi điện XC sang điện MC: + cấp điện UXC, máy làm việc như ĐCĐB 3 pha + trong mạch MC, máy làm việc như MFĐMC, phát ra điện UMC -MFĐ biến đổi cơ năng thành điện năng: + dùng ĐC so cấp kéo roto quay + trong mạch MC, máy làm việc như MFĐMC, phát ra điện UMC + nếu cực từ N, S là NCVC thì trong mạch XC, máy làm việc như MFĐB 3 pha, phát ra điện UXC + nếu cực từ N, S lấy điện từ UMC thì trong mạch XC, máy làm việc như MFĐB 3 pha tự kích, phát ra điện UXC Tỷ lệ giữa UXC và UMC : Dựa vào đồ thị với m = 3 ta có : 3 sin 2 2 MC mXC U U = hay MC MC XC U U U 612,0 3 sin 2 ==  Do tỷ lệ giữa UXC và UMC như trên nên nếu UXC là tiêu chuẩn thì UMC là không tiêu chuẩn và ngược lại. Vì máy biến đổi một phần ứng đồng thời làm việc ở hai chế độ máy phát và động cơ nên dòng điện trong dây quấn phần ứng là hiệu số IXC và IMC, do đó tổn hao trong dây quấn phần ứng nhỏ hơn tổn hao tương ứng của máy điện một chiều. Nếu số pha m lớn tổn hao đó càng nhỏ. Có thể mở máy theo phương pháp mở máy không đồng bộ của động cơ đồng bộ nếu có đặt dây quấn mở máy ở mặt cực. Hoặc có thể mở máy như động cơ một chiều sau đó hoà đồng bộ với lưới điện xoay chiều tức là cho máy làm việc ở chế độ động cơ một chiều và điều chỉnh U, f của hệ thống ba pha để hoà với lưới sau đó tắt nguồn một chiều cung cấp cho nó. 2.3. Động cơ chấp hành 2.3.1 Động cơ secvo (servo motor) 2.3.1.1 Khái niệm về động cơ secvo - Là một thiết bị biến đổi tín hiệu dưới dạng điện áp thành tín hiệu cơ dưới dạng tốc độ. - Chế độ làm việc của động cơ chấp hành có thể là chạy, thay đổi tốc độ, dừng, đảo chiều - Yêu cầu tính năng: + Các đặc tính làm việc là tuyến tính + Tác động nhanh: mômen quán tính rôto nhỏ, hằng số thời gian cơ điện nhỏ + Công suất điều khiển nhỏ + Làm việc tin cậy, kích thước trọng lượng nhỏ + Không có hiện tượng tự chạy khi máy không có hoặc khi cắt tín hiệu điều khiển. 2.3.1.2 Động cơ secvo một chiều (DC servo motor) 2.3.1.2.1.Cấu tạo - Là ĐCMC kích từ độc lập bằng điện từ hoặc từ điện. - Stato (phần cảm) tạo nên từ thông cho máy gồm hai loại kích từ: + điện từ: cực từ làm bằng các lá thép KTĐ, trên có đặt dây quấn kích từ và được nối với nguồn một chiều. + từ điện: cực từ là nam châm vĩnh cửu. - Rôto (phần ứng): + thường là rôto rỗng không dẫn từ để giảm trọng lượng. + rôto hình đĩa nối với dây quấn mạch in hoặc loại không tiếp xúc. 2.3.1.2.2.Phương pháp điều khiển: thay đổi tốc độ, chạy-dừng, đảo chiều quay M = CM.t.Iư M ≡ t.Iư Thay đổi t (It, Ut) gọi là điều khiển cực Thay đổi Iư gọi là điều khiển phần ứng Ưu điểm: giống động cơ một chiều nói chung (tốc độ làm việc rất lớn) 2.3.1.2.2.1.Điều khiển phần ứng Iư UđkIđk ktUkt 2 + - Uđk Iư 1 a) Sơ đồ: Sơ đồ 1: phần kích từ (phần cảm): nam châm vĩnh cửu. Sơ đồ 2: phần kích từ (phần cảm): cuộn dây có dòng điện một chiều Ukt = const. Điều chỉnh tốc độ, chạy-dừng, đảo chiều quay bằng cách điều chỉnh Uđk là điện áp đặt vào dây quấn phần ứng - Hệ số tín hiệu α: + kích thích kiểu điện từ: đmkt đk U U − = + kích thích kiểu từ điện: đmu đk U U − = Tốc độ quay tương đối: on n = (no: tốc độ không tải lý tưởng M = 0, α = 1) kđM M m = trong đó Mkđ – mômen khởi động khi n = 0, α = 1 Phương trình đặc tính  = α – m -Đặc tính cơ :  = f (m) khi α = const, giống như n = f (M) khi Uđk = const. -Đặc tính điều chỉnh:  = f (α) khi m = const, giống như n = f (Uđk) khi M = const. Mômen tương đối: 0,5 1  1  m = 0 m = 0,5 0 1  m  = 1 0,5 0,5 1 *Nhận xét: + Các đặc tính cơ và điều chỉnh là tuyến tính + Iđk = Iư >> Ikt → cần có công suất điều khiển lớn + Khi Uđk = 0 → Iđk = 0 → M = 0 không có hiện tượng tự quay Iư Ukt Ikt đkUđk Iđk 2.3.1.2.2.2. Điều khiển cực a) Sơ đồ Điện áp điều khiển đưa vào cuộn dây cực từ, chỉ dùng cho động cơ kích thích điện từ Điện áp kích thích là điện áp lưới điện đưa vào cuộn dây phần ứng Ikt = Iư. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ trường cực từ. Thay đổi Uđk → thay đổi Iđk → dòng kích từ thay đổi b) Biểu thức đặc tính: - Hệ số tín hiệu (kích thích kiểu điện từ): luoi đk kt đk U U U U == Phương trình mômen: M = CMđk.Iư Phương trình mômen với điều khiển cực M ≡ Iđk.Ikt 2   m− = - Đặc tính cơ :  = f (m) khi α = const, giống như n = f (M) khi Uđk = const. - Đặc tính điều chỉnh:  = f (α) khi m = const, giống như n = f (Uđk) khi M = const. Phương trình đặc tính 0,5  1 m 1 0,75  = 1 0,6 0,5 0   1 3 2 1 m = 0 0,1 0,8 0,5 0,5 0,2 0,3 *Nhận xét: + Đặc tính cơ tuyến tính nhưng cắt nhau → điều khiển không chính xác + Đặc tính điều chỉnh phi tuyến và đa trị → điều khiển không chính xác + Đặc tính điều chỉnh chỉ đơn trị khi mômen lớn m  0,5 và tuyến tính khi m  0,70,8 → phương pháp chỉ sử dụng khi mômen tải lớn + Dòng điện phần ứng lớn hơn rất nhiều dòng điện điều khiển (Iư >> Iđk) mà Iư = Ikt. Cuộn phần ứng luôn có điện áp Ukt đặt vào Ukt = Uư → Ikt = Iư  0 → gây tổn hao phần ứng, đồng thời dễ gây tia lửa ở chổi than. + Nếu trong lõi thép cực từ có từ thông dư dư thì khi Uđk = 0, Ukt ≠ 0, tương tác giữa Ikt và dư sẽ sinh ra mômen M = CM.Ikt.dư ≠ 0 →có hiện tượng tự quay nếu mômen này > mômen ma sát (mômen không tải của động cơ) *So sánh: + Động cơ chấp hành một chiều điều khiển phần ứng có đặc tính điều chỉnh tuyến tính và không có hiện tượng tự quay. + Động cơ chấp hành một chiều điều khiển cực có hiện tượng tự quay, điều khiển không chính xác. Thực tế ít sử dụng phương pháp này + Động cơ chấp hành một chiều có đặc tính điều chỉnh tốt hơn động cơ chấp hành không đồng bộ vì có đặc tính tuyến tính. 2.3.1.3 Động cơ secvo xoay chiều (AC servo motor): gồm có ĐC secvo không đồng bộ và ĐC secvo đồng bộ. Trong chương này, nội dung là về Động cơ secvo không đồng bộ (Asynchronous servo motors) 2.3.1.3.1.Cấu tạo - Động cơ chấp hành không đồng bộ là một động cơ 2 pha. - Stato có 2 dây quấn đặt lệch nhau trong không gian góc 900: + Dây quấn kích thích đặt dưới điện áp kích thích là cố định Ut = const + Dây quấn điều khiển đặt dưới điện áp điều khiển Uđk = var - Động cơ chấp hành không đồng bộ phân loại theo kết cấu rôto: 1. Roto lồng sóc: cấu tạo giống như ĐCKĐB rôto lồng sóc thông thường. Rôto bao gồm lõi sắt và thanh dẫn đúc nhôm hoặc đồng thau có điện trở suất lớn 2. Roto rỗng không dẫn từ (thường là hợp kim của nhôm) (hình vẽ gần giống máy điện một chiều rôto rỗng) có vận tốc quay đồng bộ 1500-30000 v/ph. Dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây stato sinh ra từ trường quay, từ trường quay này cắt rôto rỗng và cảm ứng dòng điện xoáy trên bề mặt rôto. Tương tác giữa từ trường quay và dòng điện xoáy sinh ra mômen làm rôto quay. 3. Roto rỗng dẫn từ: không cần stato trong, vật liệu rôto có điện trở suất lớn, đảm bảo đặc tính cơ tuyến tính 4. Roto khối sắt từ: là một lõi thép không có răng rãnh, không có dây quấn, trên mặt phủ một lớp coi như dây quấn 2.3.1.3.2. Phương pháp điều khiển 2.3.1.3.2.1. Nguyên lý M = M2pha =CM.Ikt.Iđk.sin.sin với : góc lệch không gian 2 dây quấn kích từ và điều khiển  = /2 → sin = 1 : góc pha thời gian (Ikt,Iđk) Ukt = const → Ikt = const Momen điện từ động cơ chấp hành không đồng bộ: M = C.Iđk.sin Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi Iđk, sin. Ba phương pháp điều khiển tốc độ: - Điều khiển biên độ: thay đổi Iđk (Uđk) -Điều khiển pha: thay đổi góc  - góc giữa (Ikt, Iđk) hay góc giữa (Ukt, Uđk) - Điều khiển biên pha: thay đổi đồng thời Iđk và  U~ KT Bộ tạo pha  = 90o R ĐK 2.3.1.3.2.2. . Sơ đồ cụ thể a. Điều khiển biên độ - Điện áp điều khiển thay đổi bằng biến trở R Ukt = const  = 900 = const kt đk U U =- Hệ số tín hiệu): - Tỉ số biến áp dk kt W W k = (Wkt, Wđk – số vòng dây hiệu dụng cuộn kích từ và cuộn điều khiển) Điện áp điều khiển tương đối e = k = '/ kt đk kt đk U U kU U = e = 1 thì từ trường trong máy là từ trường tròn - Tốc độ tương đối 1n n = (n: tốc độ roto; n1: tốc độ từ trường quay) 1 0,5 m0,5 1 1,5 2 0,5 1 e = 1,5  0,5 1 m = 0 0,2 0,4 0,6 0,8 e 1 0kđM M m =- Mômen tương đối (Mkđ0 : là mômen khởi động khi từ trường quay là từ trường tròn) - Phương trình đặc tính 21 )(2 e e m    + − =  = f(m) là đặc tính cơ  = f(e) là đặc tính điều chỉnh Nhận xét : - Đặc tính cơ tuyến tính nhưng lại cắt nhau nên điều khiển không chính xác -Đặc tính điều chỉnh không tuyến -tính ĐK KT Bộ dịch pha  U b) Điều khiển pha - Điều khiển góc lệch pha  giữa Ikt và Iđk, giữa Uđk và Ukt; giữ Ukt = const, Uđk = const. - Phương trình đặc tính  = sin - m M2pha  Ikt.Iđk.sin.sin  = f(m) là đặc tính cơ  = f(sin) là đặc tính điều chỉnh Nhận xét: - Các đặc tính là tuyến tính -Bộ dịch pha phức tạp → việc điều khiển động cơ đơn giản nhưng việc điều khiển bộ dịch pha phức tạp hơn 0, 5 0,5 0,5 0,2 5 m1 1 sin = 1   10,5 m = 0 m = 0,5 sin U~ ĐK KT R 21 )sin.(2 e e m    + − = c) Điều khiển hỗn hợp (biên - pha) - Mắc thêm một tụ cho mạch kích thích. Điện áp kích thích Ukt = U – UC luôn thay đổi về trị số và pha khi vận tốc quay thay đổi. Tùy theo trị số của tụ ta có được một từ trường tròn ứng với một mômen, tốc độ, một dòng điện nhất định. Ở mạch điều khiển mắc thêm một điện trở R. 0 –hệ số tín hiệu biên độ điện áp điều khiển khi có từ trường quay tròn lúc mở máy Phương trình đặc tính e 10,5 m = 0  1 m = 0,5 1 0,5 1 m 0  0,50 Nhận xét: - Ưu điểm : sơ đồ rất đơn giản - Nhược điểm: đặc tính không được tuyến tính lắm nếu mức độ điều khiển không cần độ chính xác quá cao thì các phi tuyến này chấp nhận được. Thực tế hay gặp phương pháp này 2.3.1.3.3. Hiện tượng tự quay Là hiện tượng động cơ chấp hành vẫn làm việc khi không có tín hiệu điều khiển. Tự chạy do hai nguyên nhân. 2.3.1.3.3.1. . Do nguyên lý làm việc (nguyên nhân về thông số) - Các thông số R, X của động cơ chấp hành chưa thích hợp. Động cơ chấp hành là động cơ hai pha (có M2pha) với từ trường elip khi nó làm việc với Ukt, Uđk  0. Khi có tín hiệu điều khiển → động cơ quay → tốc độ thay đổi. Uđk Ukt MMtải sA0 1 M2pha M1pha s Cắt tín hiệu Uđk = 0 thì động cơ chấp hành biến thành động cơ một pha với từ trường là đập mạch: M2pha chuyển sang M1pha và tại điểm làm việc sA có M ≠ 0. Do ĐC đang quay theo quán tính nên tiếp tục quay. Gọi hiện tượng tự chạy vì thông số của động cơ chấp hành lúc bấy giờ chỉ là thông số của động cơ bình thường. -Cách khắc phục:Trong máy điện không đồng bộ Mmax không phụ thuộc vào điện trở của roto, và hệ số trượt ứng với giá trị max của mômen goi là hệ số trượt tới hạn ' 21 2 m xx r s + = sM2pha = MĐCCH M1pha = M1 +M2 M2 M1 1 A sA 0 s 0 M1 M1pha M2 1 2 sm = 0,5 sm sm = 1 smsA Khi tăng r2 → sm tăng → đường cong mômen bắt đầu dịch chuyển. (Ví dụ hình bên cạnh: sm = 0,5). Bình thường ở động cơ chấp hành không đồng bộ sm= 0.2  0.3 Khi tăng điện trở roto r2 , đường cong mômen bắt đầu dịch chuyển đường cong mômen thuận M1, mômen ngược M2 tiếp tục choãi ra → mômen tổng M1pha có sm tăng. (Ví dụ hình bên cạnh: sm = 1, tại điểm làm việc sA có M1pha <0 và ngược chiều với mômen quán tính của rôto làm cho ĐCCH ngừng quay). Muốn không có hiện tượng tự quay, cần tăng điện trở rôto r2 để có sm  1. Trong thực tế thường chế tạo sm = 24 2.3.1.3.3.2. . Do công nghệ chế tạo : rôto sẽ quay ngay sau khi có Ukt ≠ 0 mặc dù không có tín hiệu Uđk = 0. a. Nguyên nhân -Một số lá thép stato cách điện không tốt coi như bị ngắn mạch về từ làm tăng dòng Fucô, cục bộ bản chất vật lý giống động cơ vành ngắn mạch → tạo nên mômen khởi động -Một vài vòng dây của dây quấn stato bị ngắn mạch (hiện tượng giống như trên) - Hai cuộn dây kích từ và điều khiển đắt lệch nhau góc ≠ 900. - Khe hở không khí không đều hoặc thành rôto rỗng có độ dày không đều. Tất cả các trường hợp trên dẫn tới từ trường trong máy không phải là đập mạch mà là elip, mômen khởi động ≠ 0, rôto tự quay b. Cách khắc phục -Nâng cao trình độ tay nghề, chế tạo chính xác, cải tiến quy trình công nghệ 2.3.1.4 Ứng dụng của động cơ secvo Các ứng dụng công nghiệp phổ biến cho động cơ secvo. Động cơ secvo nhỏ và hiệu quả nhưng rất quan trọng để sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí chính xác. Động cơ servo được điều khiển bởi tín hiệu (dữ liệu) phổ biến hiện nay là bộ điều biến độ rộng xung (PWM). Một số ứng dụng động cơ servo phổ biến được sử dụng hiện nay. -Rô bốt -Băng tải băng chuyền -Lấy nét tự động của máy ảnh -Xe robot -Hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời -Máy cắt và tạo hình kim loại -Định vị ăng-ten -Chế biến gỗ / CNC -Dệt may 2.3.2 Động cơ bước (Stepper motor) 2.3.2.1 Tổng quan về động cơ bước Động cơ bước là loại động cơ được dùng để biến đổi các lệnh cho dưới dạng xung điện thành sự dịch chuyển dứt khoát về góc hay đường thẳng – như là bước từng bước mà không cần cảm biến phản hồi. Động cơ làm việc phải có kèm theo bộ đổi chiều điện tử dùng để chuyển đổi các cuộn dây điều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số tuỳ theo lệnh đã cho. Góc quay tổng hợp của rotor động cơ bước tương ứng chính xác với số lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc tần số chuyển đổi. Như vậy trong trường hợp tổng quát có thể xem động cơ bước với bộ điều khiển đổi chiều điện tử như là một hệ thống điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ với khả năng định vị trí góc xoay rotor, tức là bằng cách thay đổi tần số cho đến không. Động cơ bước được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động, thí dụ trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình, trong các thiết bị của kỹ thuật máy tính Trong các hệ thống trên, động cơ bước được sử dụng hoặc để thực hiện sự truyền động theo chương trình điều khiển các cơ cấu thừa hành như nhiệm vụ động cơ chấp hành, hoặc như là một phần tử phụ biến đổi các mã xung thành tín hiệu điều chế cho một hệ thống nào đó. Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu riêng về kỹ thuật, ngoài những yêu cầu chung : - Có bước chuyển dịch bé. - Momen đồng bộ hoá đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi thực hiện bước di chuyển. - Không tích luỹ sai số khi tăng số bước. - Tác động nhanh. - Làm việc bảo đảm khi có cuộn dây điều khiển ít nhất. - Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản. Tuỳ theo cấu tạo, động cơ bước có những loại như : - Chỉ thị hay động lực. - Thuận nghịch hay không thuận nghịch. - Có một stator hay nhiều stator. - Có một hay nhiều cuộn dây điều khiển (quấn tập trung hoặc quấn rải). - Rotor tác dụng (có dây quấn kích thích hoặc nam châm vĩnh cửu) và Rotor phản kháng (không có dây quấn), hoặc lai (kết hợp cả rotor tác dụng và rotor phản kháng) - Rotor hình đĩa hay rotor mạch in. - Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp Điện áp điều khiển động cơ bước thường là điện áp có dạng xung vuông Xung một cực U t Xung hai cực U t Dưới tác động của các xung điện áp thì Rôto sẽ xoay đi một góc gọi là bước và kí hiệu là  Công thức tính: trong đó: K (số bước quay) = m.n1.n2.p K 360  = với m - số cuộn dây điều khiển trên stato; n1 - hệ số phụ thuộc cách điều khiển xung, n1 = 1 khi điều khiển đối xứng (số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi) n1 = 2 khi điều khiển không đối xứng (số lượng cuộn dây được điều khiển lúc chẵn lúc lẻ) n2 - hệ số phụ thuộc vào loại xung: n2 = 1 khi điều khiển bằng xung một cực n2 = 2 khi điều khiển bằng xung hai cực p - số đôi cực rôto - Cấu tạo: + Phần ứng ở stato: gồm nhiều cuộn dây và được nhận các xung điện áp + Phần cảm ở rôto có dạng cực từ : là NCVC hoặc sắt từ - Phân loại : + Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Động cơ bước rôto tác dụng) + Động cơ bước từ trở thay đổi (ĐC bước rôto phản kháng) + Động cơ bước lai 2.3.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet stepper motor)= Động cơ bước roto tác dụng (active rotor motor), góc quay 5-150 - Cấu tạo: + Stato gồm nhiều lá thép có dạng cực lồi, trên cực từ có đặt dây quấn, mỗi cực có một bối dây. + Rôto là nam châm vĩnh cửu hình sao - Nguyên lý. Ví dụ 1: ĐC bước NC vĩnh cửu, stator 4 cực, roto 2 cực, góc quay 900 K = m.n1.n2.p = 2.1.2.1=4 N S S N 3 N SS N 4 S N N S  1 S NN S 2 xung 1 U1 t1 3 5 2 4 t U2 xung 2 Ví dụ 2: ĐC bước NC vĩnh cửu, stator 4 cực, roto 2 cực, góc quay 900 K = m.n1.n2.p = 4.1.1.1 = 4 S N N 1 S NN 2 N S N 3 N S N 4 U1 t1 3 2 4 t U2 U3 U4 5 t t Ví dụ 3: ĐC bước NC vĩnh cửu, stator 8 cực, roto 2 cực, góc quay 450 Ví dụ 4: ĐC bước NC vĩnh cửu đơn cực, stator 4 cực, roto 6 cực, góc quay 300 Dây quấn 1a: 100010001000 Dây quấn 1b: 001000100010 Dây quấn 2a: 010001000100 Dây quấn 2b: 000100010001 Các cực của stator sẽ hút các cực trái dấu của roto 2.3.2.3 Động cơ bước từ trở thay đổi một ngăn (single stack variable – reluctance stepper motor), góc quay 15-450 Dây quấn 1: 1001001001001 Dây quấn 2: 0100100100100 Dây quấn 3: 0010010010010 Ví dụ 5: stator 6 cực, roto 4 răng, góc quay 300 Răng rôto được đánh dấu X bị hút vào cuộn 1 khi nó được kích hoạt. Sự kéo này được gây ra bởi đường từ thông được tạo ra xung quanh cuộn dây và rôto. Rôto chịu mô-men quay và di chuyển tới vị trí thẳng hàng tới các cuộn dây được kích hoạt, để rút ngắn đường đi của từ thông. Roto di chuyển theo chiều kim đồng hồ khi cuộn dây 1 bị ngắt và cuộn dây 2 được kích hoạt. Răng rôto được đánh dấu Y bị hút bởi cuộn dây 2. Điều này dẫn đến roto chuyển động theo chiều kim đồng hồ 300 khi Y xếp thẳng hàng với cuộn dây 2. Chuyển động theo chiều kim đồng hồ liên tục đạt được bằng cách cuộn dây luân phiên được kích hoạt và ngắt. Ví dụ 6: stator 6 cực, roto 4 răng, góc quay 150 ĐC chạy “nửa bước” bằng cách cấp điện cho 3 pha theo thứ tự A, AB, B, BC, C, CA, A. Đầu tiên cấp điện cho cuộn A, răng 1 roto ở vị trí A1 (hình a). Sau đó cấp điện đồng thời cho cả cuộn A và B, răng 1 roto xoay theo chiều kim đồng hồ tạo với A1 góc 150 (lúc này roto đi được có nửa bước, hình b). Tiếp theo chỉ cấp điện cho cuộn B sẽ kéo răng 2 roto ở vị trí B3, răng 4 roto ở vị trí B6 (hình c), kết quả răng 1 roto xoay tiếp góc 150 và lệch với A1 góc 300. Ví dụ 7: stator 8 cực, roto 6 răng, góc quay 150 2.3.2.4 .Động cơ bước từ trở thay đổi nhiều ngăn (multi stack variable – reluctance stepper motor), góc quay 1-50 Động cơ bước từ trở thay đổi có thể có nhiều ngăn (tầng). Thông thường là 2, 3, 4 hay nhiều ngăn hơn nữa. Một ngăn được xem như 1 pha. Ví dụ 8: động cơ bước từ trở thay đổi 3 pha (3 ngăn ). Stator của mỗi ngăn có 4 cực, mỗi cực có 3 răng. Trong mỗi ngăn số răng rotor và stator giống nhau. Răng của 3 rotor có vị trí đặt giống nhau nhưng răng của stator đặt lệch nhau 1/3 bước răng. Răng rotor và stator ngăn 1 đối đỉnh, răng rotor và stator ngăn 2 lệch nhau 100 (cấu tạo stator ngăn 2 xoay 1 góc 100 so với stator ngăn 1), tương tự răng rotor và stator ngăn 3 lệch nhau 200 (stator xoay 1 góc 200 đối với stator ngăn 1 hay 1 góc 100 đối với stator ngăn 2). Răng của 3 rotor nằm trên cùng trục và thẳng hàng. ZR = ZS = 12, i = S = 10 0 . Góc lệch của 2 ngăn kề nhau i, xác định như sau : Trong đó ZR : Số răng của rotor cũng như stator. m : số pha hay số ngăn. Trong trường hợp trên ZR = 12, m = 3, do đó I = 10 0 Nguyên lý làm việc của động cơ như sau: Giả sử ban đầu đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 1 thì răng rotor và stator của ngăn 1 đối đỉnh (do từ thông chọn đường đi có từ trở bé nhất). Lúc này răng rotor và stator ngăn 2 lệch nhau 100, răng rotor và stator ngăn 3 lệch nhau 200. Đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 2, dòng điện điều khiển ngăn 1 được cắt. Rotor bước một góc 100 để răng rotor và stator ngăn 2 đối đỉnh. Lúc này răng rotor và stator ngăn 3 lệch nhau 100. Tiếp tục đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 3, dòng điện điều khiển ngăn 2 được cắt. Rotor bước thêm 1 góc 100 để răng rotor và stator ngăn 3 đối đỉnh. Lúc này răng rotor và stator ngăn 1 lệch nhau 100. Tiếp tục đặt dòng điện điều khiển vào ngăn 1, quá trình lập lại. Kết quả rotor tiến theo chiều kim đồng hồ với trình tự điều khiển 1231. Tổng quát, trục động cơ sẽ tiến 1 bước răng trong m bước. Muốn trục động cơ bước theo chiều ngược lại trình tự điều khiển được đảo lại 1321. Nguồn điều khiển là đơn cực. Muốn có góc bước nhỏ hơn có thể sử dụng, phương thức điều khiển như ở động cơ xung. 2.3.2.5 Động cơ bước lai (hybrid stepper motor) Ví dụ 9: a) Cấu tạo: bao gồm đặc điểm của ĐC từ trở thay đổi và ĐC nam châm vĩnh cửu. Roto được từ hóa dọc trục, tạo ra cặp cực từ N,S. Hai đầu mũ gắn vào hai đầu nam châm dọc trục, có số răng bằng nhau và được từ hóa bởi cực tính tương ứng của nam châm dọc trục. Stato có 4 cực và 2 cặp dây quấn stato. Roto có 5 cực N tại 1 đầu mũ và 5 cực S tại đầu mũ khác. Mặt cắt x-x’, y-y’ thể hiện trong hình a, c. b) Nguyên lý làm việc. Trong hình a, pha A bên stato được kích từ tạo ra cực S hút cực N của roto. Sau đó ngắt kích từ pha A, pha B được kích từ , rotor quay ngược chiều kim đồng hồ 1 góc = 3600/4- 3600/5=180 Bảng chân lý: A B Góc quay + 0 00 0 + 180 - 0 360 0 - 540 + 0 720 ĐC bước lai thực tế có nhiều cực từ hơn để có góc quay nhỏ hơn. Ví dụ 10: Stato có 8 cực, mỗi cực có 5 răng, roto có 50 răng. Góc quay = 3600/40- 3600/50=1,80. Góc quay có thể còn nhỏ hơn nếu tăng số ngăn roto Ví dụ 11: Stato có 4 cực, roto có 3 răng 2.3.2.6. Điều khiển động cơ bước 2.3.2.6.1. Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước Động cơ bước có thể quay với bất kỳ tốc độ nào trong giải từ 0 vòng/phút đến giá trị cực đại cho phép. Do tính chất đặc biệt, động cơ bước có thể dừng đột ngột ở bất kỳ vị trí nào trong độ phân giải của góc bước khi đang quay với bất kỳ tốc độ nào trong dải cho phép. Vì vậy động cơ ít khi được dùng cho các thiết bị cần quay với tốc độ đều (trường hợp này ta sử dụng các loại động cơ khác đơn giản hơn) mà nó được sử dụng chủ yếu để điều khiển thích nghi, nghĩa là tốc độ quay biến đổi liên tục, thậm chí động cơ phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát. Do đó, vận tốc quay của động cơ bước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình. Giả sử trong thời gian t (giây) ta thực hiện n lần dịch bước (mỗi lần dịch một bước) thì tần số dịch bước là f = n/t. Giả sử góc bước của động cơ là 0 thì để đạt được một vòng quay động cơ cần quay 3600/ 0 bước quay. Vận tốc trung bình V của động cơ bước trong thời gian t giây là: Điều khiển vận tốc động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f. Lưu ý rằng tần số dịch bước f trong trường hợp tổng quát không đồng nhất với tần số các xung điều khiển, mà là tổ hợp của sự biến đổi các trạng thái của các xung điện điều khiển đó. Vì vậy việc điều khiển này thường được thực hiện bởi các bộ vi xử lý. 2.3.2.6.2. Điều khiển chiều quay của động cơ bước Chiều quay của động cơ một chiều có thể thay đổi bằng cách đảo chiều dòng điện cấp vào. Đối với động cơ bước, chiều quay nhìn chung không đồng nhất với chiều dòng điện cấp cho các cuộn dây mà nó phụ thuộc thứ tự chuyển dịch các bước. Chẳng hạn, rotor dang vị trí bước thứ n; nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí bước thứ (n+1) thì động cơ quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rotor chuyển sang vị trí bước thứ (n-1) thì động cơ quay trái. Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này. Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây stator. 2.3.2.7 Ứng dụng của động cơ bước - Tự động hóa : trong thiết bị điều khiển robot, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt. - Điện tử tiêu dùng : dùng trong máy ảnh số để lấy nét và điều chỉnh tiêu cự. - Oto và máy bay: để kiểm soát hành trình, định vị ăng ten quân sự, dùng trong thiết bị cảm biến tự động, ăng ten, thiết bị quét. - Thiết bị văn phòng: dùng bên trong máy tính, ổ đĩa lưu trữ dữ liệu, đầu ổ đĩa quang máy in, máy in mã vạch, máy quét. -Y tế: trong máy quét y tế, động cơ bước điều khiển chuyển động đa trục vi mô hoặc nano của thiết bị tự động, máy bơm pha chế, dụng cụ lấy mẫu và dụng cụ tiêm tự động sắc ký, chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, máy bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc, máy phân tích máu.. - Máy công nghiệp: sử dụng trong đồng hồ đo ô tô, thiết bị sản xuất tự động (bộ điều khiển động cơ bước đơn /đa trục) và trong bộ dụng cụ trang bị thêm (bộ điều khiển động cơ bước và động cơ) cho điều khiển máy CNC. - Thiết bị khoa học: máy quang phổ thiết bị khoa học, định vị kính viễn vọng quan sát. - Hóa học: thiết bị trộn và lấy mẫu sử dụng bộ điều khiển động cơ bước và thiết bị kiểm tra môi trường có động cơ bước đơn / đa trục được điều khiển. - An ninh: sản phẩm giám sát mới cho ngành công nghiệp bảo mật - Công nghiệp games: động cơ cung cấp trong máy đánh bạc, máy kéo bánh xe và xáo trộn thẻ. 2.3.3 Động cơ một chiều không chổi than (brushless direct current motor –BLDC motor) Tên gọi khác: ĐCMC không tiếp xúc, ĐCMC không vành góp, ĐC BLDC) ĐC vành góp một chiều do có tiếp xúc chổi than, giảm độ tin cậy, gây nhiễu. Tác dụng của vành góp và chổi than: mômen quay theo một chiều S N F®t đtF ®tF B iab cd ab M S N F®t ®tF M không có phiến góp + chổi than cd ab S N F®t ®tF M cd ab có phiến góp + chổi than có phiến góp + chổi than Thời gian gần đây đã xuất hiện và đưa vào sử dụng ĐCMC không tiếp xúc với bộ phận đổi chiều điện tử để tăng độ tin cậy trong các điều kiện làm việc 2.3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ BLDC 2.3.3.1.1. Cấu tạo Gồm 3 bộ phận - Động cơ một chiều có + Phần ứng đứng yên bên stato; Stato được ghép từ các lá thép KTĐ, trong các rãnh đặt dây quấn phần ứng + Phần cảm (kích từ) bên rôto: * Nam châm vĩnh cửu, được sử dụng nhiều *Kích thích điện từ, ít được sử dụng do có cấu tạo phức tạp - Cảm biến vị trí rôto (Hall, quang điện...)đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều - Bộ chuyển mạch (bộ đổi chiều không tiếp xúc). Cuộn dây phần ứng đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bằng bộ đổi chiều điện tử, được điều khiển bởi bộ cảm biến vị trí đặt trên trục động cơ 2.3.3.1.2. Nguyên lý làm việc Ví dụ 1. ĐC BLDC 3 pha, có cảm biến, transistor Xem xét nguyên lý hoạt động của sơ đồ sau: - Động cơ một chiều có: + Stato đặt 3 pha dây quấn : 3 cuộn dây A, B, C nối chung một đầu với nhau. Đầu còn lại của mỗi pha nối với các cực của transistor. + Roto: NCVC - Cảm biến vị trí có: + Stato đặt các phần tử cảm ứng SA, SB, SC + Rôto: NCVC có dạng hình tròn khuyết và đặt trên cùng một trục với rôto ĐC + Bộ đổi chiều: 3 transistor TA, TB, TC mắc nối tiếp với các pha. ++ + - - - S N Mô hình bộ đổi chiều (giống như chổi than) + − Lá thép stato Cuộn dây Nam châm vĩnh cửu Cảm biến vị trí Stato, phần ứng Rôto, phần cảmRôto Stat o Vỏ động cơ Động cơ SN Động cơ Cảm biến vị trí TA TB TC NCVC hình cánh quạt SA SC SB Bộ chuyển mạch Nối cùng trục A C B M+ N S A B Fđt M + N SA B C C Fđt -Tại vị trí như hình vẽ: nam châm rẻ quạt (hình tròn khuyết) tác động lên SA làmTA mở ra → cuộn A có điện IA  0 ; transistor TB, TC đóng IB, IC = 0 → xuất hiện lực điện từ (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh ra mômen M làm rôto quay theo chiều kim đồng hồ. Khi nam châm rẻ quạt quay tới vị trí SB, cảm biến SA mất tín hiệu, TA đóng lại, cuộn Amất điện IA = 0. Cảm biến SB có tín hiệu, TB mở, cuộn B có điện IB  0, xuất hiện lực điện từ tác động làm rôto quay tiếp....Cứ như vậy, rôto quay đều. -Khi tăng số pha dây quấn phần ứng (số transistor và cảm biến) bằng số bối dây và số phiến góp của MĐMC có vành góp, đặc tính động cơ không tiếp xúc này giống như ĐCMC có vành góp thông thường. -Đảo chiều quay bằng cách đảo trình tự logic diều khiển các van bán dẫn - Ưu điểm: + không có tiếp xúc, đổi chiều không có tia lửa điện, + độ tin cậy cao, có thể làm việc ở mọi môi trường. + đặc tính cơ tốt, + đáp ứng nhanh + hiệu suất cao + không có tiếng ồn -Nhược điểm: phức tạp về mặt điều khiển, kích thước bộ đổi chiều lớn, giá thành cao 2.3.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC Ví dụ 2. Xét phương pháp điều khiển ĐC BLDC 1 pha có cảm biến. Nam châm vĩnh cửu 4 cực nằm trên Rôto được đặt bên trong stato. Một cảm biến vị trí Hall (ký hiệu “a” có dấu chấm bên cạnh) gắn vào bên ngoài stato, cảm ứng điện áp tỷ lệ thuận từ cảm (giả sử cảm biến ở mức CAO khi cực N roto đi ngang qua và ở mức THẤP khi cực S roto đi ngang qua). SW1 và SW4 mở ra (thông mạch) đầu ra cảm biến Hall ở mức CAO, như thể hiện trong hình (a) và (b). Ở giai đoạn này, dòng điện phần ứng chạy qua cuộn dây stato từ OUT1 đến OUT2 và tạo ra các cực điện từ NS stator tương ứng. Lực từ được tạo ra bởi từ trường rôto và từ trường stator làm cho rôto quay. Sau khi rôto quay được 180°, điện áp đầu ra Hall đảo ngược do vị trí gần với cực S. SW2 và SW3 sau đó mở ra (thông mạch) với dòng điện đảo chiều đi từ OUT2 sang OUT1, như trong (c) và (d). Các cực từ của stato đối diện làm cho rôto tiếp tục quay cùng chiều. Ví dụ 3. ĐC BLDC không cảm biến dùng trong quạt làm mát máy tính. Stato trong, roto NCVC đặt ngoài Nguyên lý hoạt động IC công suất phát ra 2 dãy xung ở 2 chân: 2 và 3 có trạng thái đối ngược nhau: 2 3 Lúc này cuộn dây xa và cuộn dây yb luân phiên được cấp điện cực tính trên các cực của stato liên tục bị thay đổi với tần số bằng tần số xung của IC công suất phát ra Mô phỏng Phương thức điều khiển Tốc độ của động cơ một chiều được tính theo công thức: u u u d vòng/phút U - I R 60 n = (1) K Φ 2π Đối với một động cơ BLDC đã cho thì Ku, Φd là cố định Vì vậy muốn thay đổi tốc độ động cơ thì có thể thay đổi điện áp U, điện trở phần ứng Ru Trong đó: U: Điện áp đặt vào phần ứng Iu: Dòng điện phần ứng Ru: Điện trở phần ứng Ku: Hệ số dây quấn Φd: Từ thông phần cảm (Cực từ) Phương thức điều khiển Đối với động cơ: Ta lại có: Trong đó: N: số thanh dẫn trong dây quấn p: Số cực a: số mạch nhánh song song ωm: vận tốc góc của phần ứng fIC : Tần số phát ra của IC công suất Thay Eu vào (1) ta được u u uE =U - I R uE = 2 d m u d m Np K a     =  m ICω =2πf m IC 60 n = ω = 60 vòng/f 2π phút 2 u Np K a = Vì vậy khi thay đổi tần số xung ra ở IC công suất thì tốc độ của động cơ thay đổi. 2.3.3.3 Ứng dụng của động cơ BLDC trong điều khiển tự động Động cơ không chổi than có thể đáp ứng nhiều chức năng động cơ DC có chổi than, nhưng chi phí và độ phức tạp điều khiển đã làm cho động cơ không chổi than không thể thay thế hoàn toàn động cơ có chổi than ở lĩnh vực chi phí rẻ. Tuy nhiên, động cơ không chổi than đã thống trị nhiều ứng dụng, đặc biệt là các thiết bị như ổ cứng máy tính và đầu đĩa CD / DVD. Động cơ không chổi than được sử dụng độc quyền trong quạt làm mát nhỏ cho các thiết bị điện tử. Chúng có thể được tìm thấy trong các máy công cụ cầm tay không dây, trong đó do hiệu suất cao của động cơ đến thời gian sử dụng lâu hơn trước khi cần phải sạc pin. Động cơ không chổi than tốc độ thấp, công suất nhỏ được sử dụng trong các bàn xoay truyền động trực tiếp của máy nghe nhạc đĩa than - Giao thông. Động cơ không chổi than được tìm thấy trong xe điện, xe lai và phương tiện giao thông cá nhân. Hầu hết các xe đạp điện sử dụng động cơ không chổi than và đôi khi được tích hợp vào trục bánh xe, với stator cố định chắc chắn vào trục và nam châm được gắn và xoay với bánh xe. Nguyên tắc tương tự được áp dụng trong bánh xe tay ga tự cân bằng. Hầu hết các mô hình chạy điện điều khiển bằng sóng radio (remote-controlled RC) sử dụng động cơ không chổi than vì hiệu suất cao - Máy công cụ cầm tay không dây: ví dụ như máy cắt cỏ, máy thổi lá, máy cưa và máy khoan /bộ dẫn động. Ưu điểm của ĐC không chổi than so với động cơ có chổi than (trọng lượng thấp, hiệu suất cao) là rất quan trọng đối với các công cụ cầm tay, chạy bằng pin so với các máy công cụ cố định công suất lớn cắm vào ổ cắm AC, do đó nó đã phát triển nhanh trong phân khúc thị trường đó. - Hệ thống điều hòa không khí. Có xu hướng trong ngành và điện lạnh sử dụng động cơ không chổi than thay vì các loại động cơ AC khác nhau. Lý do quan trọng nhất là giảm đáng kể công suất tiêu thụ Trong khi các động cơ xẻ cực và động cơ điện dung đã từng chiếm ưu thế trong các động cơ của quạt, nhiều quạt hiện nay chạy bằng động cơ không chổi than. Các hệ thống HVAC (đặc biệt là các hệ thống có tốc độ biến đổi và / hoặc điều chế tải) sử dụng động cơ không chổi than vì bộ vi xử lý tích hợp cho phép lập trình, kiểm soát luồng khí và truyền thông. Một số quạt trần và quạt cầm tay cũng dùng động cơ này. Chúng được quảng cáo động cơ có hiệu suất cao và chạy êm hơn các loại quạt khác. - Công nghiệp. Việc áp dụng động cơ DC không chổi than trong kỹ thuật công nghiệp chủ yếu tập trung vào quá trình sản xuất, thiết kế tự động hóa công nghiệp, hệ thống điều khiển chuyển động, định vị hoặc truyền động. Động cơ không chổi than rất phù hợp cho các ứng dụng sản xuất vì mật độ công suất cao, đặc tính mô-men tốc độ tốt, hiệu suất cao, dải tốc độ rộng và ít phải bảo trì. Các ứng dụng phổ biến nhất của động cơ DC không chổi than trong kỹ thuật công nghiệp là động cơ tuyến tính, động cơ servo, bộ truyền động cho robot công nghiệp, động cơ truyền động đùn trục vít và máy công cụ CNC -Hệ thống điều khiển chuyển động. Động cơ không chổi than thường được sử dụng làm máy bơm, quạt và dẫn động trục chính trong các ứng dụng có thể điều chỉnh hoặc thay đổi tốc độ vì chúng có khả năng tạo ra mô-men cao với tốc độ đáp ứng tốt. Ngoài ra, chúng có thể dễ dàng tự động hóa để điều khiển từ xa. Do cấu tạo, chúng có đặc tính nhiệt tốt và hiệu quả năng lượng cao. Để có được đáp ứng được với sự thay đổi của tốc độ, động cơ không chổi than hoạt động trong một hệ thống điện cơ bao gồm bộ điều khiển động cơ điện tử và cảm biến phản hồi vị trí rôto. Động cơ DC không chổi than được sử dụng rộng rãi làm động cơ servo cho các bộ dẫn động máy công cụ. Động cơ servo được sử dụng cho chuyển vị cơ học, định vị hoặc điều khiển chuyển động chính xác. Động cơ bước DC cũng có thể được sử dụng như động cơ servo; tuy nhiên, vì chúng được vận hành với điều khiển vòng hở, nên tạo ra các xung mô-men. Động cơ DC không chổi than phù hợp hơn với vai trò là động cơ servo vì chuyển động chính xác của chúng dựa trên hệ thống điều khiển vòng kín được kiểm soát chặt chẽ và hoạt động ổn định. -Hệ thống định vị và truyền động công nghiệp..Đối với robot lắp ráp, động cơ bước không chổi than hoặc động cơ servo được sử dụng để định vị một bộ phận để lắp ráp hoặc là công cụ cho quy trình sản xuất, chẳng hạn như hàn hoặc sơn. Động cơ không chổi than cũng có thể được sử dụng để điều khiển bộ truyền động tuyến tính. Động cơ trực tiếp tạo ra chuyển động tuyến tính được gọi là động cơ tuyến tính. Ưu điểm của động cơ tuyến tính là chúng có thể tạo ra chuyển động tuyến tính mà không cần hệ thống truyền lực, chẳng hạn như trục vít me bi, trục vít me, truyền động thanh răng, bánh cam, bánh răng hoặc dây đai, khi dùng động cơ quay. -Máy bay mô hình. Động cơ không chổi than đã trở thành một lựa chọn động cơ phổ biến cho máy bay mô hình bao gồm máy bay trực thăng và máy bay không người lái. Tỷ lệ công suất trên trọng lượng thuận lợi của chúng và phạm vi kích thước rộng có sẵn, từ dưới 5 gram đến động cơ lớn kilowatt được xếp hạng tốt trong phạm vi đầu ra, đã cách mạng hóa thị trường cho mô hình bay chạy bằng điện, thay thế hầu như tất cả các động cơ điện có chổi than, ngoại trừ đối với máy bay đồ chơi rẻ tiền công suất nhỏ. Chúng cũng kích thích sự tăng cường sử dụng máy bay mô hình chạy điện đơn giản, nhẹ, thay vì các động cơ đốt trong trước đây cung cấp cho các mô hình lớn hơn và nặng hơn. Tỷ lệ công suất trên trọng lượng tăng của pin hiện nay và động cơ không chổi than cho phép các mô hình tăng dần theo chiều thẳng đứng, thay vì leo lên dần dần. Tiếng ồn thấp và khối lượng nhỏ so với động cơ đốt trong nhiên liệu nhỏ cũng là một lý do khác cho sự phổ biến của chúng. 2.3.4 Động cơ VS (variable speed motor) Động cơ VS (Motor VS) là một động cơ gắn khớp từ có khả năng điều chỉnh được tốc độ máy công tác. Khớp từ thực chất là một khớp ly hợp mà thao tác "ly" và "hợp" được thực hiện bởi từ trường một chiều của nam châm điện. Tùy theo từ trường này mạnh hay yếu dẫn đến lực từ liên kết giữa trục động cơ và trục máy công tác mạnh hay yếu và cuối cùng là tốc độ trên đầu trục của máy công tác là nhanh hay chậm. Ta có thể điều chỉnh trơn tốc độ ra trục máy công tác bằng bộ điều khiển điện áp một chiều nối với cuộn dây của khớp từ. 62.3.4.1 Cấu tạo và đặc điểm Bộ điều khiển và động cơ VS là một bộ thiết bị bao gồm: 01 động cơ KĐB 3 pha, 01 cơ cấu từ trường dạng li hợp từ 01 bộ điều khiển lực từ (DC Current control). - Khi động cơ sơ cấp quay, ống lót gắn trên trục sơ cấp cũng quay theo. Tốc độ quay bằng tốc độ quay của trục sơ cấp. lúc này ta bắt đầu cấp nguồn điện 1 chiều vào nam châm điện, dưới tác dụng của từ trường nam châm điện càng lớn thì lực điện từ sinh ra càng lớn dẫn đến tốc độ quay của trục thứ cấp càng lớn. - Tốc độ quay của của trục thứ cấp luôn nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ của trục sơ cấp. - Như vậy khớp nối giữa trục sơ cấp và trục ra thứ cấp được thực hiện bằng từ trường của Nam châm và được gọi là khớp từ hay khớp nối mềm. - Tốc độ trục thứ cấp được điều chỉnh tùy theo đặc tính tải từ 0 đến tốc độ định mức của ĐCKĐB. Đặc điểm của động cơ VS: - Phải sử dụng 2 nguồn điện khác nhau là nguồn 1 chiều cho việc điều chỉnh tốc độ , và nguồn xoay chiều 3 pha cấp cho động cơ phần sơ cấp. - Trong quá trình hoạt động, motor phía sơ cấp luôn quay ở tốc độ định mức mặc dù tốc độ của trục thứ cấp thay đổi theo điều chỉnh, việc này dẫn đến lãng phí điện năng. - Tốc độ động cơ chỉ được giới hạn trong dải tần số 0 Hz cho tới tần số của điện lưới - Động cơ VS không có khả năng bù momen trong quá trình khởi động - Mạch khống chế điều khiển tốc độ tương đối phức tạp. - Hiệu suất làm việc không cao vì vậy gây lãng phí điện năng - Độ chính xác về tốc độ không cao. - Dòng điện khởi động cao do bánh xe và bộ ly hợp tạo ra. 2.3.5 Động cơ từ trở (động cơ phản kháng) (reluctance motor) Phân loại : - Động cơ từ trở đồng bộ (động cơ phản kháng đồng bộ) (synchronous reluctance motor-SYRM) - Động cơ từ trở chuyển mạch (động cơ phản kháng chuyển mạch (switched reluctance motor –SRM) = Động cơ từ trở thay đổi (động cơ phản kháng thay đổi ) (variable reluctance motor -VRM) - Động cơ bước từ trở thay đổi (variable reluctance stepper motor - VRSM) (đã có trong chương 2.3.2.3) 2.3.5.1. Động cơ từ trở đồng bộ a) Cấu tạo - Stato : dây quấn 1, 2, 3 pha - Rôto : khối sắt từ tạo ra xd ≠ xq, không có dây quấn . Một số kết cấu rôto : 1) rôto ghép từ các lá thép KTĐ trên đó có các chỗ lõm để xd ≠ xq, để khởi động trên rôto có đặt cuộn ngắn mạch lồng sóc 2) mômen mở máy tạo ra nhờ dòng điện xoáy phucô trên bề mặt 3,4) rôto làm bằng vật liệu không dẫn từ (nhôm) đúc với tập lá sắt từ 5) rôto ghép từ các lá thép từ trong lõi có các khoảng không được lấp đầy bằng vật liệu không dẫn từ (nhôm) 3) 4) 5) d q q d 2)1) Sắt từ Nhôm N S Ft Ft N S  b) Nguyên lý làm việc Ustato → Φquay, Φquay tác động giống máy không đồng bộ tạo Mkđb đồng thời là mômen mở máy làm rôto quay n < n1. Khi n ≈ n1 → xuất hiện mômen phản kháng Mfk = Mđb tác động kéo rôto với n = n1. Đường Φ luôn có xu hướng duy trì đường đi ngắn nhất và lực duy trì đó gọi là lực kháng từ bị uốn cong do lệch cực từ khi n ≠ n1, xuất hiện lực từ kéo roto về vị trí sao cho từ trở nhỏ nhất. Do xd ≠ xq, ΦStato bị uốn tạo lực tiếp tuyến Ft. - Ưu điểm : cấu tạo đơn giản không cần nguồn điện MC, giá thành rẻ, dễ sử dụng - Nhược điểm: mômen mở máy không cao, cos thấp do Q lớn, từ trở của mạch từ lớn. Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp làm cho ĐC rất nhạy với các dao động của điện áp lưới -Ứng dụng: +Bơm định lượng. +Máy đóng gói và gấp. +Thiết bị cân đối trên Bơm hoặc băng tải. +Thiết bị sản xuất sợi tổng hợp. +Gia công vật liệu tấm hoặc màng liên tục. 2.3.5.2. Động cơ từ trở chuyển mạch a) Cấu tạo: - Stato: dây quấn tập trung trên cực từ - Rôto: mạch từ có răng, không có dây quấn, không có nam châm. stato, rôto đều có dạng cực lồi b) Nguyên lý làm việc Xem xét SRM 6/4: - Tại thời điểm cực từ roto r1 và r1’ thẳng hàng với cực từ stato c và c’, đưa dòng điện vào pha a sẽ sinh ra từ thông chạy theo hướng a-r2- r2’-a’, mômen sinh ra có xu hướng kéo cực từ roto r2 và r2’ về thẳng hàng với a-a’ - Khi r2-r2’ về thẳng hàng với a-a’, cắt điện pha a. -Đưa điện vào pha b, sẽ sinh ra từ thông chạy theo hướng b-r1’-r1-b’, mômen sinh ra có xu hướng kéo cực từ roto r1’- r1 về thẳng hàng với b-b’. - Tiếp tục với pha c-c’, và lặp lại quá trình trên rôto sẽ tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ. - Nếu chuyển mạch dòng điện theo thứ tự acb, roto sẽ quay theo chiều ngược lại - Phân loại động cơ từ trở chuyển mạch (switched reluctance - SRM) : + ĐC từ trở chuyển mạch quay (rotary SRM) : * ĐC từ trở chuyển mạch từ trường hướng tâm (hướng kính) (radial field SRM) Rotary SRM 8/6 Rotary SRM 10/8 * ĐC từ trở chuyển mạch từ trường dọc trục (axial field SRM) * ĐC từ trở chuyển mạch một pha (single-phase SRM) + ĐCPKCM tuyến tính (linear SRM – LSRM): - Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản, không có chổi than + Rotor không có dây quấn, không có nam châm trên rôto, do đó tiết kiệm vật liệu trên rôto, không phải bảo dưỡng. +Stato có dây quấn tập trung chi phí sản xuất nhỏ hơn so với các dây quấn phân tán trên máy XC hoặc thậm chí cả máy MC. + Tổn hao tập trung chủ yếu trên stato nên dễ làm mát. Tổn hao trên roto nhỏ hơn nhiều so với stato + Mômen khởi động lớn + Rôto nhỏ gọn, mômen quán tính nhỏ, đáp ứng nhanh, phù hợp với tốc độ cao + Có thể có tốc độ cao + Các dây quấn tách biệt với nhau về điện và vì chúng có sự liên kết lẫn nhau không đáng kể, sự cố điện trong một pha không ảnh hưởng đến các pha khác. Đặc điểm này là duy nhất trong động cơ từ trở chuyển mạch + Mạch chuyển đổi bán dẫn công suất đơn giản hơn + Dễ dàng điều chỉnh đặc tính mômen/tốc độ - Nhược điểm: + Dao động mômen (có độ gợn sóng cao), 88 + Máy ồn +Tổn thất do ma sát và do gió lớn do rôto nhô ra (lồi lõm) ở tốc độ cao. Chúng có thể được giảm bằng cách làm cho bề mặt roto trơn tru bằng cách lấp đầy không gian giữa các rôto bằng vật liệu không từ tính + Cần có bộ nguồn điện tử công suất đi kèm động cơ và không có khả năng khởi động trực tiếp - Ứng dụng: + Thiết bị gia dụng, điều hòa, máy giặt, máy hút bụi, quạt + Máy công cụ cầm tay, bơm, quạt, + Hệ thống truyền động chống cháy cho môi trường dễ cháy nổ + Điều khiển robot + Máy dệt bao gồm: máy dệt thoi, máy dệt khăn, v.v. + Máy móc thiết bị trong lĩnh vực dầu mỏ: máy bơm trục đứng, máy bơm chùm, máy móc kiểm tra giếng + Máy ép cơ khí, kể cả máy ép trục vít. + Máy khai thác mỏ: máy cắt, băng tải, tời, máy khoan, máy nghiền quặng, máy nghiền than + Thiết bị công nghiệp: *Máy trộn thực phẩm *Máy nâng: thang máy, tời, băng tải *Thiết bị phát điện: điều khiển tải cánh quạt gió *Sản xuất nhựa: máy đùn, máy ép phun *Máy nghiền giấy *Máy cán kim loại *Máy quấn dây và tháo dây 2.3.6 Động cơ từ trễ (hysteresis motor-HTS) 2.3.6.1. Cấu tạo và đặc điểm Vật liệu từ cứngH B Sắt từ thường Vành từ trễ Thép thường Stato: lá thép KTĐ và dây quấn 3 pha hoặc 1 pha để tạo nên TT quay Roto : làm bằng vật liệu từ cứng (chrome, thép coban hoặc alnico hoặc hợp kim) có đặc tính từ hoá mặt trễ lớn (vòng từ trễ rộng), không có cuộn dây. Lực ma sát phân tử vật liệu từ trễ lớn. Sau khi bị từ hoá nếu như cắt luồng từ hoá thì các thanh nam châm vẫn giữ các phần tử lưỡng cực theo thứ tự nhất định. Để tiết kiệm hợp kim đặc biệt, rôto gồm 2 phần: vòng hợp kim đặc hoặc các lá hợp kim ép lại được đặt lên ống thép hoặc ống nhôm. 2.3.6.2 Nguyên lý làm việc S N N S S N N S S N - Quá trình mở máy: Đặt điện áp XC vào stato có TT quay stato làm từ hoá lõi thép roto. Tương tác giữa TT quay stato và dòng điện xoáy cảm ứng trên bề mặt rôto (do TT quay stato) tạo nên Mkđb ban đầu làm quay rôto. ĐC khởi động như ĐC không đồng bộ. - Quá trình làm việc: Xét thời điểm khi TT quay ở vị trí như hình a, roto bị từ hóa, các nam châm phân tử sẽ được sắp xếp định hướng theo chiều của từ trường. Tác dụng tương hỗ giữa TT stato và roto tạo nên lực hướng kính F theo phương TT stato và không tạo nên mômen quay. Ở thời điểm tiếp theo (hình b), TT quay stato quay đi một góc, nhưng do ma sát của các phần tử ở vật liệu có vòng từ trễ rộng, các nam châm phân tử không xoay kịp cùng với TT stato và chậm sau. Lực tương hỗ F lúc này ngoài thành phần hướng kính còn có thành phần tiếp tuyến kéo roto quay. Khi tốc độ rôto  tốc độ TT quay, xuất hiện lực Fđb tạo nên mômen từ trễ kéo rôto quay = tốc độ TT quay. ĐC làm việc như ĐC đồng bộ - Ưu điểm: + So với ĐC NCVC giá rẻ. + Cấu tạo đơn giản, rôto không có răng rãnh, không có dây quấn mở máy, không có tiếng ồn, không tạo từ trường sóng bậc cao. - Nhược điểm: +Động cơ trễ có công suất đầu ra chỉ bằng một phần tư công suất đầu ra của động cơ cảm ứng có cùng kích thước. +Hiệu suất thấp +Mô-men quay thấp. +Hệ số công suất thấp (0,3-0,45) +Loại động cơ này chỉ chế tạo với kích thước rất nhỏ. - Ứng dụng của động cơ từ trễ: +Thiết bị sản xuất âm thanh +Dụng cụ ghi âm +Máy ghi âm chất lượng cao +Thiết bị hẹn giờ +Đồng hồ điện +Máy gõ chữ