So Sánh Động Cơ Chổi Than Và Động Cơ Không Chổi Than (BLDC)

Động cơ không chổi than (BLDC, brushless DC) là động cơ có rotor nam châm vĩnh cửu, cuộn dây nằm trên stator và được đóng cắt dòng bằng mạch điện tử theo vị trí rotor, nên không cần chổi than và cổ góp như động cơ chổi than. So với động cơ chổi than, BLDC hiệu suất cao hơn (thường 85–90% so với 75–80%), bền hơn, êm hơn nhưng luôn cần bộ điều khiển riêng và giá cao hơn. Chọn giữa hai loại chủ yếu dựa vào số giờ chạy mỗi ngày, yêu cầu chỉnh tốc, ngân sách và việc có muốn bảo trì chổi than hay không.

1) Động cơ điện và vị trí của động cơ chổi than, không chổi than

Động cơ điện biến điện năng thành cơ năng, được gọi tên theo nguồn (AC hay DC) và cách tạo chuyển động quay. Trong nhóm động cơ nhỏ thường gặp:

• Động cơ DC chổi than: cấu tạo đơn giản, điều khiển dễ, dùng trong khay đĩa, đồ chơi, máy khoan, xe điện mini; chổi than và cổ góp mòn dần nên phải bảo dưỡng.
• Động cơ bước: quay từng góc theo xung, dùng định vị. Xem bài động cơ bước.
• Động cơ đồng bộ nhỏ: quay đúng theo tần số nguồn, như motor đĩa xoay lò vi sóng.
• Động cơ không chổi than BLDC: rotor nam châm, chuyển mạch điện tử, dùng trong quạt inverter, máy giặt cửa ngang, xe điện, drone.

Ở dải công suất lớn trong công nghiệp, đa số vẫn là motor điện 3 pha không đồng bộ và động cơ điện 1 pha chạy thẳng điện lưới.

2) Động cơ không chổi than là gì

Động cơ chổi than đưa dòng vào cuộn dây trên rotor qua chổi than tì lên cổ góp; cổ góp tự đổi chiều dòng theo góc quay. Động cơ không chổi than làm ngược lại: nam châm nằm trên rotor, cuộn dây đứng yên trên stator, việc đổi chiều dòng do mạch điện tử đảm nhận dựa vào tín hiệu cảm biến vị trí. Không còn tiếp xúc trượt nên không có ma sát chổi, không tia lửa, ít ồn.

Về bản chất, BLDC là một dạng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu: rotor quay đồng bộ với từ trường do stator tạo ra. Loại cấp dòng dạng sin, điều khiển vector thì thường gọi là PMSM, chính là nền tảng của AC servo và nhiều motor xe điện.

3) Cấu tạo động cơ không chổi than

• Stator: lõi thép lá có răng, quấn ba pha (đấu sao hoặc tam giác), ba dây ra U, V, W.
• Rotor: nam châm vĩnh cửu (ferrite hoặc NdFeB), có kiểu rotor trong (inrunner) và rotor ngoài (outrunner, vỏ quay như motor drone, quạt trần DC).
• Cảm biến Hall: thường 3 cảm biến đặt lệch 120° điện, 5 dây (nguồn 5V, GND, Ha, Hb, Hc). Loại không cảm biến (sensorless) dò vị trí qua sức phản điện động.
• Bộ điều khiển (driver, ESC): mạch cầu 6 MOSFET hoặc IGBT, vi xử lý đọc Hall và đóng cắt theo thứ tự.

Với động cơ chổi than, đổi tốc là đổi điện áp vào cuộn dây rotor, từ trường nam châm stator cố định. Với BLDC, nam châm quay, còn từ trường do cuộn stator tạo ra được "xoay" theo bằng cách đổi hướng và độ lớn dòng trong các cuộn đứng yên.

4) Nguyên lý làm việc của động cơ không chổi than

Bộ điều khiển cấp dòng vào hai trong ba pha, tạo từ trường hút cực nam châm rotor. Khi rotor tới gần vị trí cân bằng, cảm biến Hall đổi trạng thái, bộ điều khiển chuyển sang cặp pha kế tiếp, từ trường lại dịch đi 60° điện, rotor bị kéo tiếp. Sáu bước như vậy là một chu kỳ điện. Tốc độ do điện áp trung bình (độ rộng xung PWM) quyết định; chiều quay đảo bằng cách đảo thứ tự chuyển mạch.

Không có tín hiệu vị trí đúng thì motor không tự khởi động được, quay giật hoặc quay sai chiều. Vì vậy BLDC luôn đi kèm bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall hoặc thuật toán dò sức phản điện động. Phần mạch chi tiết xem bài mạch điều khiển động cơ không chổi than.

5) So sánh động cơ chổi than và động cơ không chổi than

a) Bảng ưu, nhược điểm

b) So sánh theo từng tiêu chí

• Hiệu suất BLDC cao hơn rõ nhất ở tải nhẹ và tốc độ thấp.
• Chi phí ban đầu BLDC cao hơn vì có bộ điều khiển.
• Thiết bị chạy dưới 1 giờ mỗi ngày, động cơ chổi than vẫn kinh tế.

6) Thông số điện: điện áp, dòng điện và bộ điều khiển

• Dòng tính theo I ≈ P / (U × hiệu suất), hiệu suất BLDC khoảng 0.85–0.9.
• Bộ điều khiển nên có dòng lớn hơn dòng motor khoảng 1.5 lần.
• Biến tần thông dụng cho motor 3 pha không đồng bộ không dùng cho BLDC có Hall; một số biến tần có chế độ PMSM mới chạy được motor nam châm vĩnh cửu.

7) Ứng dụng của động cơ chổi than và không chổi than

• Động cơ không chổi than cho quạt trần DC, quạt đứng inverter, quạt dàn lạnh điều hòa inverter tiết kiệm điện.
• Động cơ BLDC cho máy giặt cửa ngang truyền động trực tiếp, máy hút bụi cầm tay tốc độ cao, ổ cứng, quạt tản nhiệt máy tính.
• Động cơ BLDC 48V, 60V cho xe đạp điện, xe máy điện, xe golf, xe nâng điện, xe lăn điện.
• Motor BLDC outrunner cho drone, máy bay mô hình, gimbal camera.
• Động cơ không chổi than cho máy khoan pin, máy vặn vít, máy cắt cỏ dùng pin chạy lâu.
• Động cơ chổi than cho máy xay sinh tố, máy khoan cắm điện, máy mài cầm tay, đồ chơi, motor 12V giá rẻ.
• Động cơ chổi than giảm tốc cho cửa cổng, máy nông nghiệp mini chạy ắc quy, nơi cần đơn giản, dễ sửa.

8) Chọn động cơ chổi than hay không chổi than cho từng trường hợp

• Đồ gia dụng công suất nhỏ, chạy ít giờ (máy xay sinh tố, máy khoan cắm điện): động cơ chổi than đủ dùng, rẻ, dễ thay chổi.
• Thiết bị chạy liên tục nhiều giờ (quạt, bơm tuần hoàn, máy lọc khí): BLDC tiết kiệm điện, ít bảo trì.
• Thiết bị dùng pin (xe điện, dụng cụ pin, drone): BLDC kéo dài thời gian dùng mỗi lần sạc.
• Máy cần định vị chính xác (CNC, robot): dùng servo, mà AC servo cũng là động cơ không chổi than có encoder; xem motor servo.
• Môi trường có bụi dẫn điện, khí dễ cháy: BLDC không có tia lửa chổi than, an toàn hơn.

9) Ưu điểm và nhược điểm của động cơ không chổi than

a) Ưu điểm

• Hiệu suất 85–90%, giữ momen tốt trong dải tốc rộng; cùng công suất, motor nhỏ và nhẹ hơn.
• Không mòn chổi, không tia lửa, ít nhiễu điện từ, tuổi thọ chủ yếu phụ thuộc bạc đạn.
• Điều khiển tốc độ, momen chính xác, tăng giảm tốc nhanh.

b) Nhược điểm

• Giá cao hơn, luôn cần bộ điều khiển đi kèm.
• Hỏng cảm biến Hall hoặc board điều khiển thì motor không chạy hoặc chạy giật; sửa chữa cần người có chuyên môn điện tử.
• Nam châm có thể bị khử từ nếu motor quá nhiệt kéo dài.

10) Câu hỏi thường gặp về động cơ chổi than và không chổi than

a) Người sắp mua động cơ không chổi than cần hỏi gì, xác minh gì

• Mua motor BLDC cần hỏi người bán những gì? Điện áp định mức, công suất định mức (không phải công suất đỉnh), tốc độ và momen định mức, hằng số KV (vòng/phút mỗi vôn) với motor mô hình, có cảm biến Hall hay không, số cặp cực, kiểu trục và mặt bích, bộ điều khiển đi kèm hay mua rời và có tương thích không.
• Làm sao xác minh thông số trên tem motor BLDC? So công suất với khối lượng và kích thước: motor 500W 48V cỡ đường kính 80–90mm, nặng 2–3kg là hợp lý; motor nhỏ hơn nhiều mà ghi 500W thì đó thường là công suất đỉnh. Chạy có tải đo dòng DC đầu vào bộ điều khiển, nhân với điện áp để ra công suất thực.
• Motor có Hall và không Hall khác gì khi mua? Có Hall khởi động êm khi tải nặng, chạy chậm tốt, phù hợp xe điện, băng tải. Không Hall rẻ, ít dây, hợp quạt, bơm, drone, nhưng khởi động có tải nặng dễ giật.
• Chọn động cơ chổi than hay không chổi than khi ngân sách hạn chế? Tính tổng chi phí: thiết bị chạy 8 giờ mỗi ngày thì phần điện tiết kiệm và khỏi thay chổi của BLDC thường bù được chênh lệch giá sau một thời gian; chạy vài chục phút mỗi ngày thì động cơ chổi than kinh tế hơn.
• Giá động cơ không chổi than tham khảo? Giá trung bình thị trường Việt Nam: motor BLDC nhỏ 24V 30–100W kèm driver từ vài trăm nghìn tới vài triệu đồng; motor 48V 500W khoảng một tới vài triệu đồng; bộ motor và điều khiển xe điện, motor drone hãng lớn cao hơn. Motor chổi than cùng công suất thường rẻ hơn rõ.

b) Người đã mua: lắp cho đúng, dùng cho tối ưu

• Đấu motor BLDC với bộ điều khiển thế nào? Ba dây pha U, V, W (thường vàng, xanh lá, xanh dương) và 5 dây Hall (đỏ 5V, đen GND, ba dây tín hiệu). Đấu theo màu trước; nếu motor rung, kêu và dòng cao thì phải thử đổi thứ tự pha và Hall (có 6 tổ hợp đúng chiều). Nhiều bộ điều khiển xe điện có chức năng tự học dây.
• Cài đặt bộ điều khiển cho bền motor? Đặt giới hạn dòng không vượt dòng định mức quá nhiều khi chạy lâu, bật tăng tốc mềm, cài bảo vệ thấp áp pin để không xả cạn pin. Tản nhiệt bộ điều khiển phải gắn vào chỗ thoáng.
• Dùng motor chổi than thế nào cho bền? Kiểm tra chổi than định kỳ, thay khi còn khoảng 1/3 chiều dài, giữ cổ góp sạch. Không cho chạy quá điện áp tem.
• Motor BLDC chạy nóng thì xử lý thế nào? Đo dòng; quá dòng là tải nặng hoặc chọn motor nhỏ. Dòng bình thường mà nóng thì kiểm tra thứ tự Hall và pha có đúng không, sai tổ hợp có thể vẫn quay nhưng hiệu suất thấp và nóng.
• Muốn chỉnh tốc motor BLDC bằng PLC hay biến trở? Đa số driver có chân điều tốc 0–5V hoặc PWM, chân đảo chiều, chân phanh và chân dừng. Lấy tín hiệu analog từ PLC hoặc biến trở 10kΩ vào chân điều tốc.

c) Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Đấu sai thứ tự Hall, motor quay giật và kêu? Triệu chứng: rung mạnh, dòng cao, chỉ quay khi đẩy tay. Cách sửa: giữ nguyên Hall, thử lần lượt các hoán vị dây pha; hoặc dùng chức năng tự học của bộ điều khiển.
• Dùng bộ điều khiển chổi than cho motor BLDC? Motor BLDC không chạy với bộ điều tốc DC chổi than hai dây. Cách sửa: dùng đúng driver BLDC ba pha có cổng Hall.
• Chọn motor theo công suất đỉnh? Motor chạy lâu ở mức "đỉnh" sẽ nóng, nam châm yếu dần, mất lực vĩnh viễn. Cách sửa: chọn theo công suất định mức, dư khoảng 20–30% so với tải liên tục.
• Để dây Hall gần dây pha dòng lớn? Nhiễu làm tín hiệu Hall sai, motor thỉnh thoảng giật. Cách sửa: tách dây, dùng cáp chống nhiễu cho Hall, thêm tụ lọc nhỏ ở chân Hall nếu driver cho phép.
• Thay chổi than sai mác cho motor chổi than? Chổi quá cứng làm xước cổ góp, quá mềm mòn nhanh, tia lửa nhiều. Cách sửa: dùng đúng kích thước và mác chổi, mài khớp mặt chổi theo cổ góp trước khi chạy tải.

d) Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Khái niệm nào cần nắm trước? Lực điện từ, sức phản điện động, cổ góp và chổi than, nam châm vĩnh cửu, cảm biến Hall, mạch cầu 3 pha (6 khóa bán dẫn), PWM, số cặp cực và quan hệ tần số điện với tốc độ cơ n = 60f/p.
• Nên học loại động cơ nào trước? Học động cơ DC chổi than trước qua bài động cơ điện 1 chiều, sau đó động cơ bước, rồi tới BLDC có Hall, BLDC sensorless và cuối cùng PMSM, AC servo.
• Thứ tự thực hành hợp lý? Tháo một motor DC chổi than nhỏ để thấy cổ góp; tháo một quạt tản nhiệt máy tính để thấy BLDC outrunner và IC Hall; dùng một driver BLDC 24V chạy motor 50–100W, thử đổi thứ tự dây để hiểu vai trò Hall.
• Tự kiểm chứng bằng dụng cụ đo thế nào? Đo điện trở ba cặp pha của BLDC (phải gần bằng nhau). Quay tay motor, đo điện áp xoay chiều giữa hai pha để thấy sức phản điện động. Cấp 5V cho Hall, quay chậm và đo từng chân để thấy tín hiệu đổi mức.
• Đọc thêm tài liệu nào? Bài mạch điều khiển động cơ không chổi than và cách điều khiển động cơ servo.

Bài liên quan:

• Mạch Điều Khiển Động Cơ Không Chổi Than, Hướng Dẫn Sử Dụng Bộ Điều Khiển
• Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Motor 3 Pha, Lợi Ích, Khái Niệm
• Động Cơ Parma, Thương Hiệu Bán Chạy Nhất Việt Nam
• Cách Đấu Điện Motor 1 Pha, Đấu Tụ, Đảo Chiều
• Giá Motor 3 Pha Hitachi, Toshiba, Mitsubishi, ABB, Siemens, Giá Quấn Lại Motor