Khi các kỹ sư phải đối mặt với thách thức thiết kế thiết bị điện để thực hiện các nhiệm vụ cơ học, họ có thể nghĩ về cách chuyển đổi tín hiệu điện thành năng lượng. Vì vậy, bộ truyền động và động cơ nằm trong số những thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành chuyển động. Động cơ trao đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

Loại động cơ đơn giản nhất là động cơ DC có chổi than. Trong loại động cơ này, dòng điện được truyền qua các cuộn dây được bố trí trong một từ trường cố định. Dòng điện tạo ra từ trường trong cuộn dây; điều này làm cho cụm cuộn dây quay, vì mỗi cuộn dây bị đẩy ra khỏi cực cùng dấu và bị kéo về phía cực khác của từ trường cố định. Để duy trì chuyển động quay, cần phải liên tục đảo chiều dòng điện - sao cho các cực của cuộn dây sẽ liên tục đảo chiều, làm cho cuộn dây tiếp tục “đuổi theo” các cực không giống như các cực cố định. Nguồn điện cho cuộn dây được cung cấp thông qua chổi dẫn điện cố định tiếp xúc với cổ góp quay; chính sự quay của cổ góp gây ra sự đảo chiều dòng điện qua cuộn dây. Cổ góp và chổi than là những bộ phận chính giúp phân biệt động cơ DC có chổi than với các loại động cơ khác. Hình 1 minh họa nguyên lý chung của động cơ chổi than.

Hình 1: Hoạt động của động cơ DC chổi than.

Bàn chải cố định cung cấp năng lượng điện cho cổ góp quay. Khi cổ góp quay, nó liên tục đảo chiều dòng điện vào cuộn dây, đảo ngược cực tính của cuộn dây để cuộn dây duy trì hướng quay sang phải. Cổ góp quay vì nó được gắn vào rôto nơi gắn các cuộn dây.

Đúng như tên gọi của chúng, động cơ DC không chổi than không sử dụng chổi than. Với động cơ chổi than, chổi than truyền dòng điện qua cổ góp vào cuộn dây trên rôto. Vậy làm thế nào để một động cơ không chổi than truyền dòng điện tới cuộn dây rôto? Không phải vậy - vì cuộn dây không nằm trên rôto. Thay vào đó, rôto là một nam châm vĩnh cửu; các cuộn dây không quay mà thay vào đó được cố định tại chỗ trên stato. Vì cuộn dây không chuyển động nên không cần chổi than và cổ góp. (Xem Hình 3.)

Với động cơ chổi than, chuyển động quay đạt được bằng cách điều khiển từ trường do cuộn dây trên rôto tạo ra, trong khi từ trường do nam châm đứng yên tạo ra vẫn cố định. Để thay đổi tốc độ quay, bạn thay đổi điện áp cho cuộn dây. Với động cơ BLDC, nam châm vĩnh cửu quay; Sự quay đạt được bằng cách thay đổi hướng của từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây đứng yên xung quanh. Để điều khiển chuyển động quay, bạn điều chỉnh độ lớn và hướng của dòng điện đi vào các cuộn dây này.

Vì rôto là nam châm vĩnh cửu nên nó không cần dòng điện nên không cần dùng chổi than và cổ góp. Dòng điện tới cuộn dây cố định được điều khiển từ bên ngoài.

Một động cơ BLDC có ba cuộn dây trên stato sẽ có sáu dây điện (hai dây cho mỗi cuộn dây) kéo dài từ các cuộn dây này. Trong hầu hết các triển khai, ba dây trong số này sẽ được kết nối bên trong, với ba dây còn lại kéo dài từ thân động cơ (ngược lại với hai dây kéo dài từ động cơ chổi than được mô tả trước đó). Việc đấu dây trong vỏ động cơ BLDC phức tạp hơn việc chỉ đơn giản là kết nối các cực dương và cực âm của pin điện; chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn cách thức hoạt động của các động cơ này trong phần thứ hai của loạt bài này. Dưới đây, chúng tôi kết luận bằng cách xem xét những ưu điểm của động cơ BLDC.

Một lợi thế lớn là hiệu quả, vì những động cơ này có thể điều khiển liên tục ở lực quay (mô-men xoắn) tối đa. Ngược lại, động cơ chổi than chỉ đạt mô-men xoắn cực đại tại một số điểm nhất định trong vòng quay. Để động cơ chổi than cung cấp mô-men xoắn tương tự như mô hình không chổi than, nó sẽ cần sử dụng nam châm lớn hơn. Đây là lý do tại sao ngay cả động cơ BLDC nhỏ cũng có thể cung cấp công suất đáng kể.

Lợi thế lớn thứ hai – liên quan đến lợi ích thứ nhất – là khả năng kiểm soát. Động cơ BLDC có thể được điều khiển bằng cơ chế phản hồi để cung cấp chính xác mô-men xoắn và tốc độ quay mong muốn. Điều khiển chính xác lần lượt làm giảm mức tiêu thụ năng lượng và sinh nhiệt, đồng thời—trong trường hợp động cơ chạy bằng pin—kéo dài tuổi thọ pin.

Động cơ BLDC cũng có độ bền cao và ít tạo ra tiếng ồn điện nhờ không có chổi than. Với động cơ chổi than, chổi than và cổ góp bị mòn do tiếp xúc chuyển động liên tục và cũng tạo ra tia lửa điện ở nơi tiếp xúc. Đặc biệt, nhiễu điện là kết quả của các tia lửa điện mạnh có xu hướng xuất hiện ở những khu vực mà chổi than đi qua các khe hở trong cổ góp. Đây là lý do tại sao động cơ BLDC thường được coi là thích hợp hơn trong các ứng dụng cần tránh nhiễu điện.

Chúng tôi nhận thấy rằng động cơ BLDC mang lại hiệu suất và khả năng điều khiển cao, đồng thời chúng có tuổi thọ hoạt động lâu dài. Vậy chúng có ích lợi gì? Vì hiệu quả và tuổi thọ cao nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chạy liên tục. Chúng từ lâu đã được sử dụng trong máy giặt, máy điều hòa không khí và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác; và gần đây hơn, chúng xuất hiện trong các quạt, nơi hiệu suất cao của chúng đã góp phần giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng.

Chúng cũng đang được sử dụng để lái máy hút chân không. Trong một trường hợp, sự thay đổi trong chương trình điều khiển dẫn đến tốc độ quay tăng vọt—một ví dụ về khả năng điều khiển siêu việt mà những động cơ này mang lại.

Động cơ BLDC cũng đang được sử dụng để quay các ổ đĩa cứng, trong đó độ bền của chúng giúp các ổ đĩa hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài, đồng thời hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng góp phần giảm năng lượng trong một lĩnh vực mà điều này ngày càng trở nên quan trọng.

Chúng ta có thể mong đợi được thấy động cơ BLDC được sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn trong tương lai. Ví dụ, chúng có thể sẽ được sử dụng rộng rãi để điều khiển robot dịch vụ – những robot nhỏ cung cấp dịch vụ trong các lĩnh vực khác ngoài sản xuất. Người ta có thể nghĩ rằng động cơ bước sẽ phù hợp hơn trong loại ứng dụng này, trong đó các xung có thể được sử dụng để điều khiển định vị chính xác. Nhưng động cơ BLDC phù hợp hơn để kiểm soát lực. Và với động cơ bước, việc giữ vị trí của một cấu trúc như cánh tay robot sẽ cần một dòng điện tương đối lớn và liên tục. Với động cơ BLDC, tất cả những gì cần thiết là dòng điện tỷ lệ với ngoại lực—cho phép điều khiển tiết kiệm điện hơn. Động cơ BLDC cũng có thể đang thay thế động cơ một chiều có chổi than đơn giản trong xe chơi gôn và xe đẩy di chuyển. Ngoài hiệu suất tốt hơn, động cơ BLDC còn có thể mang lại khả năng điều khiển chính xác hơn, từ đó có thể kéo dài tuổi thọ pin hơn nữa.

Động cơ BLDC cũng lý tưởng cho máy bay không người lái. Khả năng cung cấp khả năng điều khiển chính xác khiến chúng đặc biệt phù hợp với máy bay không người lái nhiều cánh quạt, trong đó trạng thái của máy bay không người lái được kiểm soát bằng cách kiểm soát chính xác tốc độ quay của từng cánh quạt.

Trong phần này, chúng ta đã thấy động cơ BLDC mang lại hiệu quả, khả năng điều khiển và tuổi thọ tuyệt vời như thế nào. Nhưng việc kiểm soát cẩn thận và hợp lý là điều cần thiết để tận dụng tối đa tiềm năng của các động cơ này. Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét cách thức hoạt động của những động cơ này.