Những đặc điểm chung cần biết về Động cơ DC
1. Động cơ DC là gì?
2. Nguyên lý làm việc của động cơ DC
3. Các loại động cơ DC
4. Ưu điểm và nhược điểm của động cơ DC
5. Các ứng dụng của động cơ DC
1. Động cơ DC là gì?
Động cơ điện là một loại máy chủ yếu chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành dòng điện một chiều và ngược lại.
Động cơ DC được cấu tạo bởi 2 bộ phận chính là phần tĩnh (Stato) và phần động (Rotor) với đặc điểm:
• Stator của động cơ điện một chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện với chức năng bảo vệ và hỗ trợ cho động cơ. Bộ phận này có nhiệm vụ kích từ động cơ để sinh ra từ trường.
• Rotor: Gồm các cuộn dây được nối với nguồn điện 1 chiều. Bộ phận chỉnh lưu của động cơ điện một chiều có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi các chuyển động quay của rotor là liên tục.
• Stator của động cơ điện một chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện với chức năng bảo vệ và hỗ trợ cho động cơ. Bộ phận này có nhiệm vụ kích từ động cơ để sinh ra từ trường.
• Rotor: Gồm các cuộn dây được nối với nguồn điện 1 chiều. Bộ phận chỉnh lưu của động cơ điện một chiều có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi các chuyển động quay của rotor là liên tục.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ DC
Động cơ DC lấy năng lượng điện thông qua dòng điện trực tiếp và chuyển đổi năng lượng điện này thành vòng quay cơ học. Khi động cơ DC lấy năng lượng điện sẽ tạo ra một từ trường trong Stator. Từ trường này sẽ thu hút và đẩy lùi nam châm trên Roto, làm cho Roto quay.
Nguyên lý hoạt động này chúng ta còn được biết với cái tên “Quy tắc bàn tay trái” được dạy trong môn Vật Lý. Tuy nhiên, để cỗ máy có thể hoạt động thì Roto cần quay liên tục không ngừng nghỉ, người ta sẽ gắn bộ chuyển đổi vào bàn chải đã kết nối với dòng điện để cung cấp nguồn điện cho cuộn dây động cơ.
Ngoài ra, tốc độ quay của mỗi loại động cơ DC sẽ thay đổi và khác nhau theo từng chu kỳ thời gian, có thể là vòng/phút hoặc nghìn vòng/phút tùy thuộc vào việc ứng dụng đối với từng thiết bị khác nhau.
Có thể nói động cơ DC là loại động cơ đơn giản và phổ biến nhất, được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo như trong thiết bị gia dụng, lắp ráp quạt trần, dao cạo thông minh, cửa sổ điện ô tô,...
Động cơ DC lấy năng lượng điện thông qua dòng điện trực tiếp và chuyển đổi năng lượng điện này thành vòng quay cơ học. Khi động cơ DC lấy năng lượng điện sẽ tạo ra một từ trường trong Stator. Từ trường này sẽ thu hút và đẩy lùi nam châm trên Roto, làm cho Roto quay.
Nguyên lý hoạt động này chúng ta còn được biết với cái tên “Quy tắc bàn tay trái” được dạy trong môn Vật Lý. Tuy nhiên, để cỗ máy có thể hoạt động thì Roto cần quay liên tục không ngừng nghỉ, người ta sẽ gắn bộ chuyển đổi vào bàn chải đã kết nối với dòng điện để cung cấp nguồn điện cho cuộn dây động cơ.
Ngoài ra, tốc độ quay của mỗi loại động cơ DC sẽ thay đổi và khác nhau theo từng chu kỳ thời gian, có thể là vòng/phút hoặc nghìn vòng/phút tùy thuộc vào việc ứng dụng đối với từng thiết bị khác nhau.
Có thể nói động cơ DC là loại động cơ đơn giản và phổ biến nhất, được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo như trong thiết bị gia dụng, lắp ráp quạt trần, dao cạo thông minh, cửa sổ điện ô tô,...
3. Các loại động cơ DC
Dựa vào phương pháp kích từ, người ta thường chia động cơ điện 1 chiều thành các loại phổ biến như sau:
• Động cơ DC có chổi than (Brushed DC Motor)
Động cơ điện 1 chiều DC có chổi than tại ra từ trường bằng cách đưa dòng điện đi qua cổ góp và chổi than. Từ trường của stato được tạo ra nhờ cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu. Chính vì vậy, động cơ DC có chổi than thường có giá rẻ và dễ điều khiển hơn so với các loại khác.
Dựa vào phương pháp kích từ, người ta thường chia động cơ điện 1 chiều thành các loại phổ biến như sau:
• Động cơ DC có chổi than (Brushed DC Motor)
Động cơ điện 1 chiều DC có chổi than tại ra từ trường bằng cách đưa dòng điện đi qua cổ góp và chổi than. Từ trường của stato được tạo ra nhờ cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu. Chính vì vậy, động cơ DC có chổi than thường có giá rẻ và dễ điều khiển hơn so với các loại khác.
Động cơ DC có chổi than với hiệu quả hoạt động vừa phải, chi phí thấp, an toàn và dễ sử dụng nhưng tuổi thọ giảm khi sử dụng với công suất cao. Bên cạnh đó, chổi than dễ bị mòn nên phải bào trì và thay thế thường xuyên.
• Động cơ DC không chổi than
Động cơ DC không chổi than (hay còn được gọi là BLDC) tạo từ trường Rotor bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu và sự dịch chuyển của mạch điện xung quanh stato. Động cơ DC không chổi than là một động cơ đồng bộ, tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường. Chính vì vậy, chúng hiệu quả hơn và có tuổi thọ cao hơn so với động cơ DC có chổi than và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
• Động cơ DC không chổi than
Động cơ DC không chổi than (hay còn được gọi là BLDC) tạo từ trường Rotor bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu và sự dịch chuyển của mạch điện xung quanh stato. Động cơ DC không chổi than là một động cơ đồng bộ, tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường. Chính vì vậy, chúng hiệu quả hơn và có tuổi thọ cao hơn so với động cơ DC có chổi than và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
• Động cơ DC kích thích riêng biệt
Động cơ điện một chiều kích thích riêng biệt có nguồn cung cấp điện riêng biệt cho cuộn cảm ứng và cuộn dây trường. Vì vậy, hoạt động của dòng cảm ứng và dòng điện trường không can thiệp vào hoạt động của nhau.
Động cơ DC kích thích riêng biệt có tốc độ không thay đổi và không phụ thuộc vào tải. Chính vì vậy, chúng được ứng dụng nhiều với momen khởi động thấp như máy công cụ. Bên cạnh đó, chúng có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần cứng hoặc điện trở nối tiếp với mạch kỷ tử.
• Động cơ DC tự kích thích
Động cơ điện một chiều DC tự kích thích bao gồm các mạch nối tiếp, song song và hỗn hợp. Loại động cơ này có các cuộn dây kết nối với nhau và dùng chung một nguồn cung cấp điện duy nhất và bị giới hạn ở tốc độ 5000 vòng/phút.
Các loại động cơ DC này được đặc trưng bởi sự kết nối của cuộn dây trường liên quan đến phần ứng, cụ thể là.
1. Động cơ quấn song song: trong đó cuộn kích từ được nối song song với phần ứng.
Ưu điểm:
- Động cơ quấn song song có thể được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp nặng, nơi mô-men xoắn và tốc độ có phạm vi rộng.
- Động cơ quấn song song có khả năng chạy ở tốc độ xác định trước.
- Nguồn điện của động cơ DC không đắt.
Nhược điểm
- Lắp đặt động cơ quấn song song rất đắt so với các loại động cơ khác.
- Bởi vì động cơ song song là động cơ có tốc độ không đổi, đây sẽ là một bất lợi khi cần vận hành ở tốc độ thay đổi.
- Động cơ quấn song song hoạt động không chính xác ở tốc độ thấp
2. Động cơ quấn nối tiếp: trong đó cuộn kích từ của động cơ được mắc nối tiếp với phần ứng.
Ưu điểm:
- Mô-men xoắn khởi động của động cơ quấn nối tiếp tương đối cao so với các động cơ khác, vì vậy những động cơ như vậy được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng lực kéo.
- Nó có thể được sử dụng để cung cấp AC hoặc DC, do đó nó còn được gọi là động cơ vạn năng.
Nhược điểm
- Việc kiểm soát và điều chỉnh tốc độ của động cơ quấn nối tiếp không đủ tốt.
- Động cơ quấn nối tiếp cần được tải trước khi khởi động. Do đó, động cơ quấn nối tiếp không phù hợp để sử dụng khi tải không được áp dụng trong giai đoạn đầu.
3. Động cơ dây quấn hỗn hợp: có hai cuộn kích từ: một cuộn song song với phần ứng và cuộn kia nối tiếp với phần ứng.
Ưu điểm:
- Động cơ có thể khởi động và dừng nhanh chóng.
- Việc đảo chiều và tăng tốc của động cơ có thể thực hiện nhanh chóng.
Nhược điểm
- Chi phí vận hành và bảo dưỡng của động cơ quấn hỗn hợp rất đắt.
- Động cơ DC không thể hoạt động trong tình huống nguy hiểm khi có tia lửa trong chổi than của động cơ.
Động cơ DC tự kích thích phù hợp với những thiết bị cần momen khởi động lớn như cần cẩu, tời,… Trong quá trình sửu dụng, cần tránh vận hành động cơ DC nối tiếp ở chế độ không tải vì chúng sẽ tăng đến mức không kiểm soát được.
Động cơ điện một chiều kích thích riêng biệt có nguồn cung cấp điện riêng biệt cho cuộn cảm ứng và cuộn dây trường. Vì vậy, hoạt động của dòng cảm ứng và dòng điện trường không can thiệp vào hoạt động của nhau.
Động cơ DC kích thích riêng biệt có tốc độ không thay đổi và không phụ thuộc vào tải. Chính vì vậy, chúng được ứng dụng nhiều với momen khởi động thấp như máy công cụ. Bên cạnh đó, chúng có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần cứng hoặc điện trở nối tiếp với mạch kỷ tử.
• Động cơ DC tự kích thích
Động cơ điện một chiều DC tự kích thích bao gồm các mạch nối tiếp, song song và hỗn hợp. Loại động cơ này có các cuộn dây kết nối với nhau và dùng chung một nguồn cung cấp điện duy nhất và bị giới hạn ở tốc độ 5000 vòng/phút.
Các loại động cơ DC này được đặc trưng bởi sự kết nối của cuộn dây trường liên quan đến phần ứng, cụ thể là.
1. Động cơ quấn song song: trong đó cuộn kích từ được nối song song với phần ứng.
Ưu điểm:
- Động cơ quấn song song có thể được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp nặng, nơi mô-men xoắn và tốc độ có phạm vi rộng.
- Động cơ quấn song song có khả năng chạy ở tốc độ xác định trước.
- Nguồn điện của động cơ DC không đắt.
Nhược điểm
- Lắp đặt động cơ quấn song song rất đắt so với các loại động cơ khác.
- Bởi vì động cơ song song là động cơ có tốc độ không đổi, đây sẽ là một bất lợi khi cần vận hành ở tốc độ thay đổi.
- Động cơ quấn song song hoạt động không chính xác ở tốc độ thấp
2. Động cơ quấn nối tiếp: trong đó cuộn kích từ của động cơ được mắc nối tiếp với phần ứng.
Ưu điểm:
- Mô-men xoắn khởi động của động cơ quấn nối tiếp tương đối cao so với các động cơ khác, vì vậy những động cơ như vậy được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng lực kéo.
- Nó có thể được sử dụng để cung cấp AC hoặc DC, do đó nó còn được gọi là động cơ vạn năng.
Nhược điểm
- Việc kiểm soát và điều chỉnh tốc độ của động cơ quấn nối tiếp không đủ tốt.
- Động cơ quấn nối tiếp cần được tải trước khi khởi động. Do đó, động cơ quấn nối tiếp không phù hợp để sử dụng khi tải không được áp dụng trong giai đoạn đầu.
3. Động cơ dây quấn hỗn hợp: có hai cuộn kích từ: một cuộn song song với phần ứng và cuộn kia nối tiếp với phần ứng.
Ưu điểm:
- Động cơ có thể khởi động và dừng nhanh chóng.
- Việc đảo chiều và tăng tốc của động cơ có thể thực hiện nhanh chóng.
Nhược điểm
- Chi phí vận hành và bảo dưỡng của động cơ quấn hỗn hợp rất đắt.
- Động cơ DC không thể hoạt động trong tình huống nguy hiểm khi có tia lửa trong chổi than của động cơ.
Động cơ DC tự kích thích phù hợp với những thiết bị cần momen khởi động lớn như cần cẩu, tời,… Trong quá trình sửu dụng, cần tránh vận hành động cơ DC nối tiếp ở chế độ không tải vì chúng sẽ tăng đến mức không kiểm soát được.
• Động cơ DC nam châm vĩnh cửu
Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu có dây quấn phần ứng như động cơ thông thường nhưng không có dây quấn kích từ. Trong loại động cơ một chiều này, các nam châm vĩnh cửu được từ hóa triệt để được đặt bên trong lõi stato để tạo ra từ thông. Trong khi rôto bao gồm một phần ứng DC thông thường với đoạn cổ góp và chổi than.
Trong trường hợp này, mô-men xoắn của động cơ DC có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển nguồn cung cấp phần ứng.
Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu có dây quấn phần ứng như động cơ thông thường nhưng không có dây quấn kích từ. Trong loại động cơ một chiều này, các nam châm vĩnh cửu được từ hóa triệt để được đặt bên trong lõi stato để tạo ra từ thông. Trong khi rôto bao gồm một phần ứng DC thông thường với đoạn cổ góp và chổi than.
Trong trường hợp này, mô-men xoắn của động cơ DC có thể được điều chỉnh bằng cách điều khiển nguồn cung cấp phần ứng.
4. Ưu điểm và nhược điểm của động cơ DC
Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
- Mo men mở máy lớn, có khả năng tải nặng khi khởi động.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ và kiểm soát tình trạng quá tải tốt.
- Động cơ DC có công suất 35 – 60W, tiêu thụ ít điện năng hơn do chỉ cấp điện cho Stato chứ không cần cấp điện cho Roto.
- Cấu trúc ổn định, bền bỉ, tuổi thọ lớn (trung bình khoảng 15 năm).
- Trọng lượng nhẹ nên dễ dàng lắp đặt ở vị trí cao.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, vận hành êm ái.
- Tình trạng nhiễu điện từ nhỏ.
- Động cơ điện một chiều DC có chổi than được đánh giá cao với khả năng khởi động và điều chỉnh đạt hiệu suất tốt.
Nhược điểm của DC
- Giá thành cao hơn so với những loại động cơ dòng điện một chiều khác như AC.
- Động cơ điện một chiều DC có cấu tạo đơn giản nhưng có tiếp điểm giữa chổi than và cổ góp, có khả năng tạo ra các tia điện trong quá trình hoạt động và mài mòn cơ học. Do đó, làm tăng nhiệt độ của động cơ DC và có thể hư hỏng, cháy chập khi hoạt động quá mức.
Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
- Mo men mở máy lớn, có khả năng tải nặng khi khởi động.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ và kiểm soát tình trạng quá tải tốt.
- Động cơ DC có công suất 35 – 60W, tiêu thụ ít điện năng hơn do chỉ cấp điện cho Stato chứ không cần cấp điện cho Roto.
- Cấu trúc ổn định, bền bỉ, tuổi thọ lớn (trung bình khoảng 15 năm).
- Trọng lượng nhẹ nên dễ dàng lắp đặt ở vị trí cao.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, vận hành êm ái.
- Tình trạng nhiễu điện từ nhỏ.
- Động cơ điện một chiều DC có chổi than được đánh giá cao với khả năng khởi động và điều chỉnh đạt hiệu suất tốt.
Nhược điểm của DC
- Giá thành cao hơn so với những loại động cơ dòng điện một chiều khác như AC.
- Động cơ điện một chiều DC có cấu tạo đơn giản nhưng có tiếp điểm giữa chổi than và cổ góp, có khả năng tạo ra các tia điện trong quá trình hoạt động và mài mòn cơ học. Do đó, làm tăng nhiệt độ của động cơ DC và có thể hư hỏng, cháy chập khi hoạt động quá mức.
5. Các ứng dụng của động cơ DC
Loại động cơ này được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống như: trong tivi, máy công nghiệp, máy in- photo, đài FM, ổ đĩa DC, trong công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn…….
Đối với động cơ DC nhỏ thường được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi và các thiết bị gia dụng khác nhau.
Trong công nghiệp, động cơ DC được ứng dụng như băng tải và bàn xoay,… việc sử dụng động cơ DC công suất lớn trong các ứng dụng như phanh và đảo chiều
Động cơ một chiều còn được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo Robot,...
Loại động cơ này được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống như: trong tivi, máy công nghiệp, máy in- photo, đài FM, ổ đĩa DC, trong công nghiệp giao thông vận tải và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn…….
Đối với động cơ DC nhỏ thường được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi và các thiết bị gia dụng khác nhau.
Trong công nghiệp, động cơ DC được ứng dụng như băng tải và bàn xoay,… việc sử dụng động cơ DC công suất lớn trong các ứng dụng như phanh và đảo chiều
Động cơ một chiều còn được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo Robot,...
