Động cơ điện là một loại máy điện biến đổi điện năng thành cơ năng (ngược lại với máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng). Hầu hết các động cơ điện hoạt động thông qua sự tương tác giữa từ trường của động cơ và dòng điện trong cuộn dây để tạo ra lực (dưới dạng mô men xoắn) tác dụng lên trục động cơ. Điện có thể được cấp cho động cơ từ nguồn điện một chiều (như pin, ắc quy) hoặc nguồn điện xoay chiều (như điện lưới, biến tần hoặc máy phát điện). Hiện nay, động cơ điện được sử dụng cực kì rộng rãi trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống hàng ngày, với sự đa dạng về mẫu mã, chủng loại, thương hiệu và kích thước. Từ các động cơ điện cỡ nhỏ và siêu nhỏ dùng trong các thiết bị như: ổ đĩa cứng, lò vi sóng, máy giặt, quạt điện, máy xay sinh tố, điều hoà không khí… Cho đến các động cơ điện cỡ trung bình và cỡ lớn được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, xây dựng và vận chuyển (dùng trong các máy công cụ; máy xây dựng, máy nén khí, máy bơm, thang máy, thang cuốn, …) dùng làm động cơ chính của các phương tiện giao thông không phát thải (hay còn được gọi là các phương tiện giao thông xanh) như xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện.
Động cơ điện
Động cơ điện trong hệ thống thang máy
Động cơ điện Elektrim được lắp đặt trong hệ thống bơm
1. Động cơ điện một chiều có chổi than
Động cơ điện DC có chổi than là loại động cơ sử dụng một dạng chuyển đổi cơ học để thay đổi cực dòng điện thông qua phần ứng của cuộn dây. Bộ phận chuyên đổi cơ này là cổ góp (Được làm từ loại vật liệu đồng để hiệu suất cao nhất). Phần chổi quét được lắp ráp với cổ góp được làm từ carbon, kim loại, than chì và một số hỗn hợp vật liệu khác.
Động cơ một chiều có chổi than
Ngày nay, động cơ DC chổi than được chia làm 2 loại phổ biến nhất: Nam châm vĩnh cửu và nam châm điện, tùy vào mục đích và điều kiện mà những kỹ sư thiết kế sẽ lựa chọn phù hợp.
Nam châm vĩnh cửu: Loại động cơ này được phát triển vào năm 1950 cho các loại dụng cụ. Nó làm việc bằng cách sử dụng từ trường vĩnh cữu để tạo ra vùng từ trường giúp động cơ có thể quay được. Từ trở được tao ra làm giảm tương tác phần ứng, thay đổi điện áp vào rotor sẽ làm thay đổi tốc độ đầu ra. Trong các ứng dụng vòng kính, tín hiệu phản hồi về (Encoder, máy đo tốc độ, bộ đêm xung, …) giúp theo dõi và động cơ được giữ ở một tốc độ mục tiêu.
Nam châm điện: Đây cũng có thể gọi là động cơ vạn năng hay loại động cơ AC bởi vì nó có thể sử dụng dòng điện AC hoặc DC, động cơ này có cuộn dây quấn trong stator liên kết với rotor thông qua cổ góp. Khi chạy với dòng điện AC, dòng điện sẽ đi vào trong cuộn dây rotor và stator (tạo ra vùng từ trường). Chiều quay của động cơ ở đâu ra luôn luôn là một chiều. Động cơ thường có momen xoắn lớn, nhỏ gọn và nhẹ và có thể đạt đến tốc độ rất cao (lên đến 10000 vòng/phút) trên cả loại điện áp là DC hoặc AC.
Sơ đồ nguyên lý của nam châm điện
Nam châm điện
Nam châm vĩnh cửu
Cấu tạo của động cơ một chiều chổi than được xây dựng gồm 3 cụm phụ chính: Stato (nam châm và cuộn dây); Trục rôto; Hệ thống chổi than.
Cấu tạo động cơ một chiều có chổi than
Chổi than máy khoan điện
Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều có chổi than: Stator của động cơ DC chổi có thể có nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ. Loại phổ biến hơn cho các ứng dụng servo (hầu hết các ứng dụng điều khiển chuyển động công nghiệp) là loại nam châm vĩnh cửu – thường được gọi là động cơ DC nam châm vĩnh cửu. Rôto bao gồm các cuộn dây quấn quanh lõi sắt có rãnh và được gắn vào cổ góp. Khi rôto quay, chổi tiếp xúc với cổ góp và cung cấp dòng điện cho cuộn dây.
Rôto được làm từ cuộn dây và cổ góp và điều này cho phép trục quay. Ở trung tâm của động cơ là trục, được làm bằng thép cứng, để chịu được tải cho ứng dụng, với điều kiện là động cơ chính xác đã được chọn. Tấm cổ góp giữ các thanh góp và tấm được cố định vào trục bằng khuôn nhựa. Trên đường kính ngoài của tấm giao hoán là cuộn dây không vành tự hỗ trợ, được cố định thông qua việc hàn các tiếp điểm với các thanh góp. Keo bao phủ các tiếp xúc và hàn, cho nó độ bền cơ học.
Cuối cùng là hệ thống chổi. Chúng có thể là than chì hoặc chổi kim loại quý có kết nối động cơ điện. Để cung cấp năng lượng cho rôto, chúng tôi đặt một hệ thống chổi và mỗi chổi có ký hiệu điện áp trực tiếp (+/-). Các chổi được kết nối với các thanh góp cho phép dòng điện chạy vào cuộn dây. Sau đó, hai dòng điện hình thoi xuất hiện gần trung tâm của các cực đối diện và ở giữa các đoạn quanh co trong từ trường.
Ưu điểm và nhược điểm của động cơ một chiều có chổi than:
Ưu điểm: Chi phí ban đầu thấp, độ tin cậy cao và kiểm soát tốc độ động cơ đơn giản. Dễ điều khiển: mô-men xoắn tỷ lệ với dòng điện – tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp.Hiệu quả vừa phải.Tốc độ thay đổi: yêu cầu ít thành phần bên ngoài hơn động cơ DC cảm ứng hoặc không chổi than.
Nhược điểm: Bảo trì cao và tuổi thọ thấp khi sử dụng cường độ cao.Thường xuyên thay thế các chổi than và lò xo mang dòng điện.Năng lượng thất thoát nhiều do sự ma sát giữ chổi than và roto khiến mài mòn cuộn dây gây thất thoát điện năng.Động cơ gây ồn.
Động cơ DC chổi than là là một công nghệ hoàn chỉnh mà đã tồn tại hơn một thế kỷ. Với sự ra đời của loại động cơ không chổi than và hàng loạt những công nghệ điều khiển được phát minh nhưng trong kỹ thuật vẫn sử dụng rất nhiều các loại động cơ DC chổi than. Thực tế đã chỉ ra rằng momen xoăn cực đại của động cơ DC chổi than cao nên có thể chạy được các bộ điều khiển hơn giản để sử dụng cho vô số ứng dụng. Động cơ chổi than cũng được ứng dụng nhiều trong các dòng súng bắn vít, máy khoan động lực, máy đục bê tông…vì giá thành của máy sẽ thấp. Những dòng sản phẩm không chổi than mức giá thường đắt gấp hơn rất nhiều dòng máy có chổi than.
Súng bắt vít
Máy khoan động lực
Máy đục bê tông
2. Động cơ điện một chiều không có chổi than.
Động cơ không chổi than hay còn gọi là động cơ DC (Brushless DC motor), là động cơ điện được chuyển mạch bằng điện tử với những nam châm điện dòng DC di chuyển rotor xung quanh stator. Động cơ không chổi than sử dụng bộ điều khiển để tạo ra sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Động cơ một chiều không chổi than là động cơ đồng bộ, nghĩa là tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trường. Động cơ một chiều không chổi than được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp tự động, máy in, ô tô, tiêu dùng, y tế và thiết bị đo đạc.
Động cơ một chiều không có chổi than
Cấu tạo động cơ một chiều không chổi than
Cấu tạo động cơ một chiều không chổi than: Cũng giống với những động cơ đồng bộ thông thường, những cuộn dây động cơ một chiều không chổi than được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của stator. Những thanh nam châm được gắn chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Điểm khác biệt của động cơ động cơ một chiều không chổi than so với những động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là thiết bị này bắt buộc phải cảm biến vị trí rotor để động cơ có thể hoạt động. Cấu tạo của động cơ một chiều chổi than được xây dựng gồm 3 cụm phụ chính:
Stator: Gồm có lõi sắt (những lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của động cơ một chiều không chổi than khác so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự đặc biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang.
Rotor: Về cơ bản, rotor không khác so với những động cơ nam châm vĩnh cửu khác.
Hall sensor: Vì đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của động cơ không chổi than cần có cảm biến để xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó, người ta thường sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall sensor, gọi tắt là Hall.
Điểm đáng chú ý là Hall sensor được gắn trên stator của động cơ một chiều không chổi than chứ không phải trên rotor.
Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều không chổi than dựa trên lực tương tác của từ trường do stator tạo ra và nam châm vĩnh cửu trên rotor. Khi dòng điện chạy qua một trong ba cuộn dây stato sẽ tạo ra cực từ hút những nam châm vĩnh cửu gần nhất có cực từ trái dấu. Rotor sẽ tiếp tục chuyển động nếu dòng điện dịch chuyển sang một cuộn dây liền kề. Cấp điện tuần tự cho mỗi cuộn dây sẽ làm cho rotor quay theo từ trường quay. Trong thực tế, để tăng lực tương tác, người ta sẽ cấp điện cùng lúc cả hai cuộn dây, thứ tự chuyển tiếp giữa những cuộn dây được điều khiển bởi mạch điều khiển động cơ một chiều không chổi than.
Ưu điểm và nhược điểm của động cơ một chiều không chổi than:
Ưu điểm: Do được kích từ nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor, động cơ không chổi than motor có nhiều ưu điểm như: mật độ từ thông khe hở không khí lớn. Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện tương đối cao. Tỷ lệ momen quán tính lớn (khả năng tăng gia tốc rất nhanh chóng). Vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao.Có thể tăng tốc và giảm tốc trong một khoảng thời gian ngắn. Hiệu suất cao.
Nhược điểm: Motor không chổi than được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu và cảm biến Hall để điều khiển tốc độ và momen động cơ chính xác nên có giá thành tương đối cao. Tuy nhiên, với xu hướng sử dụng động cơ không chổi than tăng mạnh nên giá thành cũng có xu hướng tăng.
Động cơ một chiều không chổi than trong hệ thống tản nhiệt laptop
Điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than: BLDC motor có cấu tạo động cơ 1 chiều. Nguyên lý của việc điều khiển tốc độ động cơ BLDC là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Bộ điều khiển sẽ xác định vị trí trục rotor và xuất điện áp điều khiển đóng, mở các khóa bán dẫn (mosfet) và cấp điện áp cho động cơ. Để đơn giản thì người dùng có thể điều chế độ rộng xung của những khóa bán dẫn bên dưới (Q4, Q5, Q6) hay khóa bán dẫn phía trên khi được kích dẫn sẽ hoạt động tối đa (độ rộng xung là 100%).
Điều khiển tốc độ sử dụng cảm biến vị trí. BLDC motor sử dụng 3 cảm biến Hall để có thể xác định vị trí trục rotor. Chu kỳ chuyển mạch của những khóa bán dẫn ứng với những giá trị cảm biến Hall. Chu kỳ chuyển mạch của những khóa bán dẫn ứng với những giá trị cảm biến Hall.
Chu kỳ chuyển mạch của những khóa bán dẫn ứng với những giá trị cảm biến Hall
Điều khiển tốc độ không sử dụng cảm biến. Sensorless BLDC motor control là phương pháp sử dụng từ thông rotor để điều khiển những khóa đóng cắt thay cho các cảm biến Hall. Cơ sở chính của việc điều khiển không cảm biến là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha trong động cơ. Phương pháp này được áp dụng với động cơ một chiều không bàn chải có điện áp hình thang. Xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và giá thành thấp. Ước lượng vị trí sử dụng những thông số động cơ, giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ. Phương pháp này phải tính toán phức tạp, khó điều khiển và giá thành cao.
Động cơ brushless DC có những ứng dụng chính như: Ứng dụng tải trọng trong biến đổi; Được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, Dryer, máy nén khí. Vị trí các ứng dụng: Kiểm soát trong công nghiệp và các ứng dụng điều khiển tự động.
Máy nén khí sử dụng động cơ một chiều không chổi than
Động cơ một chiều không chổi than trong máy bay điều khiển
Động cơ một chiều không chổi than trong máy hút công suất
Bài viết tháng 12/2023 – Thầy Trung
TRƯỜNG DẠY NGHỀ THANH XUÂN HÀ NỘI TUYỂN SINH
NGÀNH: Vận hành sữa chữa thiết bị lạnh (Điện lạnh)
TRƯỜNG DẠY NGHỀ THANH XUÂN HÀ NỘI đào tạo 20 ngành nghề:
Đầu bếp – Kỹ thuật chế biến món ăn
May và thiết kế thời trang
Sửa chữa Điện kỹ thuật (Gồm: Điện dân dụng + Điện công nghiệp + Điện nước )
Sửa chữa Điện lạnh
Sửa chữa Điện thoại
Sửa chữa Điện tử
Sửa chữa Máy may công nghiệp
Sửa chữa Vi tính
Sửa chữa Ô tô
Sửa chữa Xe máy
DẠY NGHỀ THANH XUÂN: “Học nghề hôm nay – lập nghiệp ngày mai!”
Mọi chi tiết xin liên hệ:
TRƯỜNG DẠY NGHỀ THANH XUÂN HÀ NỘI
Số 4 phố Vọng – Phương Mai – Đống Đa – Hà Nội
Phòng Tuyển Sinh: 024 62 538 568 – 0988 96 09 39 – 0948 96 09 39
Website: https://truongthanhxuan.com
Facebook: Trường Dạy Nghề Thanh Xuân Hà Nội Hà Nội
Blog: Trường dạy nghề Thanh Xuân Hà Nội
Printerest: Trường dạy nghề Thanh Xuân Hà Nội