So sánh động cơ chổi than và động cơ không chổi than: Cấu tạo, ưu – nhược điểm, và ứng dụng

Động cơ chổi than (brush motors) và động cơ không chổi than (brushless motors) là hai loại động cơ điện phổ biến hiện nay. Tuy nhiên, trong những thiết bị hiện đại như flycam hay các dòng máy bay không người lái mimi động cơ không chổi than thường được sử dụng phổ biến hơn. Vì sao động cơ không chổi than lại được sử dụng rộng rãi hơn? Bài viết này, Tokyo Camera xin gửi đến những so sánh giữa động cơ chổi than và động cơ không chổi than, nhằm giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu tạo, ưu nhược điểm, cũng như ứng dụng của từng loại động cơ. Và từ đó, bạn sẽ có câu trả lời cho câu hỏi trên trong bài viết này nhé.

Về động cơ chổi than

Cấu tạo động cơ chổi than

Động cơ chổi than có cấu tạo gồm các thành phần chính: Stator, Rotor, và Chổi than. Chổi than có tác dụng truyền dòng điện vào Rotor, giúp tạo ra từ trường xoay để đẩy Rotor quay.

Cấu tạo của động cơ chổi than bao gồm các thành phần chính sau: 

– nguồn cấp dòng điện 1 chiều (DC), 

– nam châm tĩnh (loại nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện), 

– nam châm điện quay, 

– chổi than và chuyển mạch bên trong.

Tầm quan trọng của chổi than trong các hệ thống động cơ điện

Chổi than là một thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống động cơ điện, thường được làm bằng than chì hoặc carbon. Chúng được sử dụng trong cả động cơ điện AC và động cơ điện DC, phổ biến trong ngành sản xuất động cơ bằng dây quấn. Cấu tạo của chổi than tương đối đơn giản, với hình dạng giống như một chiếc chổi nhỏ, làm từ than đá và được quấn quanh các sợi dây đồng.

Nguyên lý hoạt động

Động cơ chổi than hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra mô-men xoắn trực tiếp từ nguồn DC cung cấp cho động cơ thông qua sử dụng bộ chuyển mạch bên trong, nam châm đứng yên và nam châm điện quay.

Động cơ không chổi than

Động cơ không chổi than không sử dụng chổi than để truyền dòng điện vào Rotor. Thay vào đó, từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây điện ở Stator, giúp Rotor quay mà không cần chổi than.

Cấu tạo động cơ không chổi than

Cấu tạo của động cơ không chổi than bao gồm các bộ phận chính sau:

Stator

Stator với cấu tạo bao gồm các lõi sắt (lõi này được xếp thành từ những lá thép kỹ thuật điện được ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Một động cơ không chổi than thông thường sẽ bao gồm 3 cuộn dây trên stator. Vì vậy, Stator sẽ có đến 6 dây dẫn điện được kéo dài từ chính các cuộn dây này. Trong đó, 3 trong số các dây này sẽ được kết nối bên trong, với 3 dây còn lại để kết nối với bộ điều khiển.

Rotor

Là phần quay của động cơ, bao gồm các nam châm vĩnh cửu được gắn trên trục. Khi từ trường từ stator tác động lên nam châm trên rotor, rotor sẽ bắt đầu quay.

Cảm biến vị trí

Cảm biến vị trí, thường là cảm biến Hall, giúp xác định vị trí của rotor trong không gian để điều khiển động cơ một cách chính xác.

Bộ điều khiển điện tử (ESC)

Bộ điều khiển điện tử điều chỉnh dòng điện đi vào các cuộn dây trên stator dựa trên thông tin từ cảm biến vị trí, từ đó điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ.

Nguyên lý hoạt động

Động cơ không chổi than (Brushless DC motor) là loại động cơ điện một chiều (DC), hoạt động theo nguyên lý chuyển mạch bằng điện tử với những nam châm điện sử dụng dòng điện một chiều (DC) di chuyển rotor xung quanh stator. Động cơ này sử dụng bộ điều khiển để tạo ra sự chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện DC sang động cơ, giúp giảm ma sát và tăng hiệu suất so với động cơ chổi than thông thường.

Tầm quan trọng của động cơ không chổi than

Tầm quan trọng của động cơ không chổi than nằm ở các ưu điểm vượt trội so với động cơ chổi than truyền thống. Động cơ không chổi than có độ bền cao, tuổi thọ dài, độ ồn thấp, hiệu suất cao và ít bảo dưỡng hơn so với động cơ chổi than thông thường. Những ưu điểm này khiến động cơ không chổi than được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và sản phẩm điện tử hiện đại, đặc biệt là trong những dòng máy bay không người lái trang bị camera (flycam), drone phục vụ các công vụ đặc biệt và drone công nghiệp,vv.

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

Ưu điểm của động cơ chổi than

Dựa trên các yếu tố giá thành rẻ và dễ sửa chữa, thay thế linh kiện, động cơ chổi than có những ưu điểm sau:

Giá thành rẻ

So với động cơ không chổi than, động cơ chổi than có giá thành thấp hơn. Điều này giúp sản phẩm trang bị động cơ chổi than trở nên phổ biến và dễ tiếp cận hơn với người tiêu dùng.

Dễ sửa chữa và thay thế linh kiện trong trường hợp cần thiết

Động cơ chổi than có cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ không chổi than. Chổi than là một tiếp điểm chuyển dòng điện sang cuộn dây thích hợp của phần ứng khi nó quay, giúp tạo ra các trường nam châm chính xác để làm cho động cơ chạy. Do đó, việc sửa chữa và thay thế linh kiện động cơ chổi than trở nên dễ dàng hơn, giảm chi phí bảo trì và tiết kiệm thời gian cho người sử dụng.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng động cơ không chổi than cũng có nhiều ưu điểm vượt trội như tuổi thọ dài, độ ồn thấp, hiệu suất cao và ít bảo dưỡng hơn so với động cơ chổi than thông thường. Việc lựa chọn giữa động cơ chổi than và động cơ không chổi than phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể và ngân sách của người sử dụng.

Nhược điểm của động cơ chổi than

Dựa trên các yếu tố tuổi thọ ngắn hơn do mài mòn chổi than và hiệu suất thấp hơn do sự mất mát nhiệt và điện từ, động cơ chổi than có những nhược điểm sau:

Tuổi thọ ngắn hơn do mài mòn chổi than

Động cơ chổi than sử dụng các chổi than để chuyển dòng điện sang cuộn dây thích hợp của phần ứng khi nó quay. Sự ma sát giữa chổi than và roto khiến chổi than bị mài mòn dần theo thời gian sử dụng. Điều này dẫn đến việc phải thay thế chổi than đã mòn sau một thời gian sử dụng và khiến độ bền của động cơ thấp hơn so với động cơ không chổi than.

Hiệu suất thấp hơn do sự mất mát nhiệt và điện từ

Động cơ chổi than có một nhược điểm cố hữu chính là lượng năng lượng thất thoát nhiều. Do sự ma sát giữ chổi than và roto, khiến cuộn dây bị mài mòn và sinh nhiệt. Sự mất mát nhiệt và điện từ trong quá trình vận hành động cơ chổi than làm giảm hiệu suất của động cơ. Trong khi đó, động cơ không chổi than sử dụng công nghệ cải thiện sức mạnh và kéo dài tuổi thọ làm việc của các công cụ điện không dây.

Tóm lại, động cơ chổi than có tuổi thọ ngắn hơn và hiệu suất thấp hơn do mài mòn chổi than và sự mất mát nhiệt, điện từ so với động cơ không chổi than. Tuy nhiên, lựa chọn giữa hai loại động cơ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể và ngân sách của người sử dụng.

Ưu điểm của động cơ không chổi than là gì?

Dựa trên các yếu tố tuổi thọ cao hơn, hiệu suất cao hơn và tiết kiệm điện năng, ít tiếng ồn hơn, động cơ không chổi than có những ưu điểm sau:

Tuổi thọ cao hơn

Động cơ không chổi than không sử dụng chổi than để chuyển dòng điện, giảm sự mài mòn và nâng cao độ bền của động cơ [1]. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của động cơ so với động cơ chổi than.

Hiệu suất cao hơn và tiết kiệm điện năng

Hiệu quả của động cơ không chổi than thường cao hơn động cơ chổi than, với hiệu suất có thể lên đến 90% so với chỉ 70~75% của động cơ thông thường. Điều này giúp tiết kiệm điện năng và tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị sử dụng động cơ không chổi than.

Ít tiếng ồn hơn

Động cơ không chổi than hoạt động êm ái hơn do không có sự ma sát giữa chổi than và roto như trong động cơ chổi than. Điều này giúp giảm tiếng ồn trong quá trình vận hành và tạo ra môi trường làm việc thoải mái hơn cho người sử dụng.

Như vậy, động cơ không chổi than mang lại nhiều ưu điểm như tuổi thọ cao hơn, hiệu suất cao hơn, tiết kiệm điện năng và ít tiếng ồn hơn so với động cơ chổi than. Tuy nhiên, lựa chọn giữa hai loại động cơ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể và ngân sách của người sử dụng.

Nhược điểm của động cơ không chổi than

Dựa trên các tiêu chí được đề ra, nhược điểm của động cơ không chổi than có thể phân tích như sau:

Giá thành cao hơn (trong ngắn hạn)

Động cơ không chổi than có giá thành cao hơn so với động cơ chổi than do cấu tạo phức tạp hơn và công nghệ tiên tiến hơn. Điều này có thể khiến nhiều người dùng cân nhắc trước khi lựa chọn các sản phẩm sử dụng động cơ không chổi than, đặc biệt với những ai đang tìm kiếm giải pháp tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, đây cũng có thể là một suy luận sai lầm vì nếu tính theo tuổi thọ và thời gian sử dụng thì động cơ không chổi than chưa chắc đã đắt hơn động cơ chổi than. Trong khi động cơ chổi than có tuổi thọ ngắn sẽ đòi hỏi người dùng phải bảo dưỡng và thay thế liên tục.

Khó sửa chữa và thay thế linh kiện sau một thời gian vận hành

Động cơ không chổi than thường sử dụng các linh kiện điện tử như bộ điều khiển chuyên dụng và cảm biến hall để điều khiển động cơ. Do đó, việc sửa chữa và thay thế linh kiện khi có hư hỏng có thể trở nên khó khăn hơn so với động cơ chổi than, đòi hỏi kỹ thuật viên có kiến thức và kỹ năng chuyên môn cao hơn. Đồng thời, các linh kiện thay thế cũng có thể có giá thành cao hơn so với linh kiện của động cơ chổi than.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng động cơ không chổi than có tuổi thọ cao hơn và hiệu suất tốt hơn so với động cơ chổi than, điều này có thể giúp giảm bớt các chi phí bảo trì và sửa chữa trong dài hạn.

Công dụng và ứng dụng của động cơ chổi than và động cơ không chổi than

Động cơ chổi than và động cơ không chổi than đều được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, dựa trên các tính năng và công dụng riêng của chúng:

Công dụng của động cơ chổi than

Động cơ chổi than hoạt động dựa trên sự tiếp xúc giữa chổi than và phần ứng (phần quay) để truyền dòng điện sang cuộn dây thích hợp của phần ứng khi nó quay, tạo ra các trường từ chính xác để động cơ chạy. 

Động cơ chổi than được ứng dụng nhiều trong những thiết bị nào?

Động cơ chổi than thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản (các thiết bị công nghiệp đòi hỏi động lực vừa phải và giá thành thấp), ở mức độ công nghiệp hoặc gia dụng, chẳng hạn như máy khoan, máy mài, đồ chơi điện tử, và các thiết bị điện cầm tay khác.

Công dụng của động cơ không chổi than

Động cơ không chổi than (thuật ngữ tiếng anh gọi là Brushless Direct Current – viết tắt là BLDC). Hoạt động dựa trên nguyên lý ứng dụng từ trường vĩnh cửu và cảm biến xác định vị trí, không sử dụng chổi than. Nhờ ứng dụng kỹ thuật vật lý của từ trường, nên giúp triệt tiêu ma sát và giảm tiếng ồn cho động cơ máy vận hành êm ái, sử dụng năng lượng tiết kiệm hơn.

Động cơ không chổi than được ứng dụng nhiều trong những thiết bị nào?

Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao, độ bền lâu dài và tiết kiệm năng lượng, như xe điện, máy bay không người lái, máy bơm, quạt, thiết bị y tế chuyên nghiệp và nhiều thiết bị công nghiệp khác.

Tóm lại, động cơ chổi than thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, giá thành thấp hơn, trong khi động cơ không chổi than phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, độ bền và tiết kiệm năng lượng hơn.

IV. Điểm khác biệt và so sánh giữa động cơ chổi than và động cơ không chổi than

Điểm khác biệt giữa động cơ chổi than và không chổi than

Động cơ chổi than sử dụng chổi than để dẫn điện, trong khi động cơ không chổi than không sử dụng chổi than.

Động cơ không chổi than có tuổi thọ dài hơn và hiệu suất cao hơn so với động cơ chổi than.

Các điểm khác biệt chính giữa động cơ chổi than và động cơ không chổi than bao gồm:

1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Động cơ không chổi than (Brushless Direct Current – BLDC) hoạt động dựa vào nguồn năng lượng tạo ra từ từ trường vĩnh cửu và cảm biến xác định vị trí. Không sử dụng chổi than (chổi có phần lông làm bằng than). Động cơ chổi than sử dụng chổi than và cổ góp để chuyển dòng điện sang cuộn dây thích hợp của phần tương ứng khi nó quay.
2. Kích thước và trọng lượng: Động cơ không chổi than nhỏ gọn hơn và nhẹ hơn hai đến ba lần so với động cơ chổi than.
3. Hiệu suất: Động cơ chổi than có mức hiệu suất trung bình từ 75 – 80%, trong khi hiệu suất của động cơ không chổi than cao hơn, từ 85-90%.
4. Điều khiển: Động cơ chổi than có cấu tạo đơn giản và không cần điều khiển riêng biệt, điều khiển dễ dàng chỉ với một công tắc. Trong khi đó, động cơ không chổi than có cấu tạo phức tạp hơn chút, cần có một bộ điều khiển chuyên dụng và cảm biến hall để điều khiển động cơ.
5. Tiếng ồn và độ rung: Động cơ không chổi than giúp triệt tiêu ma sát, giảm tiếng ồn và độ rung khi máy vận hành. Động cơ chổi than thường có độ rung và tiếng ồn cao hơn.
6. Chi phí lắp đặt: Động cơ chổi than có chi phí lắp đặt rẻ hơn so với động cơ không chổi than.

So sánh hiệu suất của động cơ chổi than và không chổi than

Động cơ không chổi than có hiệu suất cao hơn do không có sự mài mòn chổi than.

Động cơ chổi than có hiệu suất thấp hơn do mài mòn chổi than dẫn đến thất thoát năng lượng (do sinh ra nhiệt năng và làm giảm điện năng sản sinh).

So sánh độ bền của động cơ chổi than và không chổi than

Động cơ không chổi than có độ bền cao hơn do không có sự mài mòn chổi than.

Động cơ chổi than có độ bền thấp hơn do mài mòn chổi than dẫn đến hư hỏng nhanh hơn.

So sánh chi phí của động cơ chổi than và không chổi than

Động cơ chổi than có chi phí thấp hơn, dễ sửa chữa và thay thế.

Động cơ không chổi than có chi phí cao hơn do công nghệ phức tạp hơn và khó sửa chữa.

So sánh ứng dụng của động cơ chổi than và không chổi than

Động cơ chổi than thường được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, kinh tế như máy khoan, máy xay, và các thiết bị gia dụng.

Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao và tuổi thọ dài như máy bay không người lái, xe điện, và thiết bị y tế chuyên nghiệp.

V. Hướng dẫn sử dụng và bảo trì động cơ chổi than và động cơ không chổi than

Hướng dẫn sử dụng động cơ chổi than

• Kiểm tra động cơ trước khi sử dụng: Kiểm tra chổi than và đảm bảo chúng được lắp đặt đúng cách.
• Khởi động động cơ: Nên khởi động động cơ ở tốc độ thấp trước khi tăng dần lên tốc độ cao hơn.
• Tắt động cơ: Tắt nguồn điện trước khi dừng hoạt động của động cơ.

Bảo trì động cơ chổi than

• Kiểm tra chổi than định kỳ: Thay thế chổi than khi chúng bị mòn quá mức cho phép.
• Vệ sinh động cơ: Làm sạch bụi bẩn và các chất bám dính trên động cơ để tăng tuổi thọ và hiệu suất.

Hướng dẫn sử dụng động cơ không chổi than

• Kiểm tra động cơ trước khi sử dụng: Kiểm tra các kết nối điện và đảm bảo chúng được lắp đặt đúng cách.
• Khởi động động cơ: Khởi động động cơ ở tốc độ thấp trước khi tăng dần lên tốc độ cao hơn.
• Tắt động cơ: Tắt nguồn điện trước khi dừng hoạt động của động cơ.

Bảo trì động cơ không chổi than

• Kiểm tra các kết nối điện định kỳ: Đảm bảo các kết nối điện không bị lỏng lẻo hoặc hư hỏng.
• Vệ sinh động cơ: Làm sạch bụi bẩn và các chất bám dính trên động cơ để tăng tuổi thọ và hiệu suất.

VI. Kết luận

Động cơ chổi than và động cơ không chổi than đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, cũng như ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Động cơ chổi than thường có chi phí thấp hơn, dễ sửa chữa và thay thế, tuy nhiên có hiệu suất và độ bền thấp hơn so với động cơ không chổi than.

Động cơ không chổi than có hiệu suất cao hơn, độ bền và tuổi thọ dài hơn, ít yêu cầu bảo trì hơn so với động cơ chổi than. Tuy nhiên, chi phí sản xuất và thay thế có thể cao hơn.

Việc lựa chọn loại động cơ phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, như hiệu suất, chi phí, độ bền và bảo trì. Hãy xem xét kỹ các yếu tố này khi chọn động cơ để đảm bảo hiệu quả và độ bền lâu dài.