Động cơ điện là gì?

Động cơ điện (electric motor) là một loại máy biến đổi năng lượng điện thành chuyển động. 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 Laplace dưới dạng mô-men xoắn tác dụng lên trục động cơ. Máy phát điện về mặt cơ học giống hệt động cơ điện, nhưng hoạt động ngược lại, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.

Linh kiện linh kiện của động cơ điện

Động cơ điện có hai bộ phận cơ học: rotor, chuyển động, và stato, không chuyển động. Về mặt điện, động cơ bao gồm hai bộ phận: nam châm từ trường và phần ứng, một bộ phận được gắn vào rotor và bộ phận còn lại được gắn vào stato. Chúng kết hợp với nhau tạo thành một mạch từ. Các nam châm tạo ra từ trường đi qua phần ứng. Chúng có thể là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. Nam châm từ trường thường nằm trên stato và phần ứng nằm trên rotor, nhưng cũng có thể đảo ngược vị trí.

Rotor

Rotor là bộ phận chuyển động cung cấp năng lượng cơ học. Rotor thường chứa các dây dẫn mang dòng điện, mà từ trường của stato tác dụng lên đó để làm quay trục.

Stator

Stato bao quanh rotor và thường chứa các nam châm trường, có thể là nam châm điện (dây quấn quanh lõi sắt từ) hoặc nam châm vĩnh cửu. Chúng tạo ra một từ trường đi qua phần ứng rotor, tác dụng lực lên các cuộn dây rotor. Lõi stato được tạo thành từ nhiều tấm kim loại mỏng được cách điện với nhau, gọi là lớp phủ. Các lớp phủ này được làm bằng thép kỹ thuật điện, có độ từ thẩm, độ trễ và độ bão hòa từ tính nhất định. Lớp phủ làm giảm tổn thất do dòng điện xoáy cảm ứng tuần hoàn gây ra nếu sử dụng lõi rắn.

Khe hở

Khe hở không khí giữa stato và rôto cho phép nó quay. Độ rộng của khe hở có ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính điện của động cơ. Khe hở thường được thiết kế càng nhỏ càng tốt, vì khe hở lớn sẽ làm giảm hiệu suất. Ngược lại, khe hở quá nhỏ có thể tạo ra ma sát ngoài tiếng ồn.

Phần ứng

Phần ứng bao gồm các cuộn dây trên lõi sắt từ. Dòng điện chạy qua dây khiến từ trường tác dụng một lực (lực Lorentz) lên nó, làm quay roto. Các cuộn dây là những sợi dây được cuộn tròn, quấn quanh một lõi sắt từ mềm, nhiều lớp để tạo thành các cực từ khi được cấp điện.

Cổ góp

Cổ góp là một công tắc điện quay cung cấp dòng điện cho roto. Nó đảo chiều dòng điện định kỳ trong các cuộn dây rôto khi trục quay. Nó bao gồm một hình trụ gồm nhiều đoạn tiếp xúc kim loại trên phần ứng. Hai hoặc nhiều tiếp điểm điện gọi là chổi than làm bằng vật liệu dẫn điện mềm như carbon ép vào cổ góp.

Trục

Trục động cơ kéo dài ra ngoài động cơ, nơi nó chịu tải. Vì lực của tải tác dụng vượt ra ngoài ổ trục ngoài cùng, nên tải được gọi là nhô ra ngoài.

Vòng bi

Roto được hỗ trợ bởi các vòng bi, cho phép rotor quay trên trục của nó bằng cách truyền lực tải dọc trục và hướng tâm từ trục đến vỏ động cơ.

Đầu vào

Nguồn điện

Động cơ DC thường được cấp điện thông qua bộ chuyển mạch vòng chia như mô tả ở trên.

Việc chuyển mạch của động cơ AC có thể được thực hiện bằng bộ chuyển mạch vòng trượt hoặc bộ chuyển mạch ngoài. Động cơ có thể là loại điều khiển tốc độ cố định hoặc thay đổi, và có thể đồng bộ hoặc không đồng bộ. Động cơ vạn năng có thể chạy bằng điện xoay chiều (AC) hoặc điện một chiều (DC).

Điều khiển

• Động cơ DC có thể được vận hành ở tốc độ thay đổi bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào các cực hoặc bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM).
• Động cơ AC hoạt động ở tốc độ cố định thường được cấp nguồn trực tiếp từ lưới điện hoặc thông qua bộ khởi động mềm động cơ.
• Động cơ AC hoạt động ở tốc độ thay đổi được cấp nguồn bằng nhiều công nghệ biến tần, bộ biến tần hoặc bộ chuyển mạch điện tử.
• Thuật ngữ bộ chuyển mạch điện tử thường được liên kết với các ứng dụng động cơ DC không chổi than tự chuyển mạch và động cơ từ trở chuyển mạch.

Các loại động cơ

Động cơ điện hoạt động dựa trên một trong ba nguyên lý vật lý: từ tính, tĩnh điện và áp điện.

Trong động cơ từ, từ trường được hình thành trong cả rotor và stato. Tích số giữa hai từ trường này tạo ra một lực và do đó tạo ra mô-men xoắn trên trục động cơ. Một hoặc cả hai từ trường này thay đổi khi rotor quay. Điều này được thực hiện bằng cách bật và tắt các cực đúng lúc, hoặc thay đổi cường độ của cực.

Động cơ có thể được thiết kế để hoạt động bằng dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều, hoặc một số loại có thể hoạt động bằng cả hai.

Động cơ xoay chiều có thể là động cơ không đồng bộ hoặc đồng bộ. Động cơ đồng bộ yêu cầu rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay của stato. Động cơ không đồng bộ loại bỏ ràng buộc này.

Những chú ý khi sử dụng

• Độ quay không phụ thuộc vào tần số điện áp xoay chiều.
• Độ quay bằng tốc độ đồng bộ (tốc độ động cơ-stator-từ trường).
• Trong SCIM, độ quay hoạt động ở tốc độ cố định bằng tốc độ đồng bộ, ít hơn tốc độ trượt.
• Trong các hệ thống thu hồi năng lượng chống trượt, WRIM thường được sử dụng để khởi động động cơ nhưng có thể được sử dụng để thay đổi tốc độ tải.
• Hoạt động ở tốc độ thay đổi.
• Trong khi các Bộ truyền động động cơ cảm ứng và đồng bộ thường có đầu ra dạng sóng sáu bước hoặc dạng sin, các Bộ truyền động động cơ BLDC thường có dạng sóng dòng điện hình thang; tuy nhiên, hoạt động của cả máy phát điện xoay chiều (PM) hình sin và hình thang là giống hệt nhau về các khía cạnh cơ bản của chúng.
• Trong hoạt động ở tốc độ thay đổi, WRIM được sử dụng trong các ứng dụng thu hồi năng lượng trượt và máy phát điện cảm ứng cấp nguồn kép.
• Dây quấn lồng sóc là một rôto lồng sóc được nối tắt, dây quấn được kết nối bên ngoài thông qua các vòng trượt.
• Chủ yếu là một pha, một số ít là ba pha.

Các từ viết tắt thường gặp

• BLAC – Động cơ xoay chiều không chổi than
• BLDC – Động cơ một chiều không chổi than
• BLDM – Động cơ một chiều không chổi than
• EC – Bộ chuyển mạch điện tử
• PM – Nam châm vĩnh cửu
• IPMSM – Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong
• PMSM – Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• SPMSM – Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt
• SCIM – Động cơ cảm ứng lồng sóc
• SRM – Động cơ từ trở chuyển mạch
• SyRM – Động cơ từ trở đồng bộ
• VFD – Bộ truyền động van biến tần
• WRIM – Động cơ cảm ứng rôto dây quấn
• WRSM – Động cơ đồng bộ rôto dây quấn
• LRA – Ampe rôto khóa:
• RLA – Ampe tải định mức:
• FLA – Ampe tải đầy: Được đổi vào năm 1976 thành “RLA – Ampe tải định mức”.

Động cơ tự chuyển mạch

Động cơ DC chổi than

Hầu hết các động cơ DC đều là loại nam châm vĩnh cửu (PM) nhỏ. Chúng chứa bộ chuyển mạch cơ học bên trong chổi than để đảo ngược dòng điện trong cuộn dây động cơ đồng bộ với vòng quay.

Động cơ DC kích từ điện

Động cơ DC chuyển mạch có một bộ cuộn dây quay được quấn trên phần ứng gắn trên trục quay. Trục cũng mang bộ chuyển mạch. Do đó, mỗi động cơ DC chổi than đều có dòng điện xoay chiều chạy qua các cuộn dây của nó. Dòng điện chạy qua một hoặc nhiều cặp chổi than tiếp xúc với bộ chuyển mạch; các chổi than kết nối nguồn điện bên ngoài với phần ứng quay.

Động cơ DC được định nghĩa như sau:

• Mạch phần ứng – Cuộn dây mang tải, có thể tĩnh hoặc quay.
• Mạch từ trường – Một tập hợp các cuộn dây tạo ra từ trường.
• Chuyển mạch: Một kỹ thuật cơ học trong đó có thể đạt được chỉnh lưu, hoặc từ đó có thể tạo ra dòng điện một chiều.

Năm loại động cơ DC chổi than là:

• Dây quấn song song
• Dây quấn nối tiếp

Động cơ hỗn hợp (hai cấu hình):

• Động cơ hỗn hợp tích lũy
• Động cơ hỗn hợp vi sai
• Nam châm vĩnh cửu.
• Động cơ kích từ riêng biệt.

Động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu (PM) không có cuộn dây từ trường trên khung stato, mà thay vào đó sử dụng PM để tạo từ trường. Các cuộn dây bù nối tiếp với phần ứng có thể được sử dụng trên các động cơ lớn để cải thiện khả năng chuyển mạch khi có tải. Từ trường này là cố định và không thể điều chỉnh để kiểm soát tốc độ. Từ trường PM (stato) rất tiện lợi trong các động cơ cỡ nhỏ để loại bỏ mức tiêu thụ điện năng của cuộn dây từ trường.

Bộ chuyển mạch điện tử (EC)

Động cơ DC không chổi than

Một số vấn đề của động cơ DC chổi than được loại bỏ trong thiết kế BLDC. Trong động cơ này, “công tắc xoay” cơ học hay bộ chuyển mạch được thay thế bằng một công tắc điện tử bên ngoài được đồng bộ hóa với vị trí của rôto. Động cơ BLDC thường có hiệu suất trên 85%, đạt tới 96,5%, trong khi động cơ DC chổi than thường có hiệu suất từ ​​75–80%.

Động cơ BLDC thường được sử dụng khi cần kiểm soát tốc độ chính xác, chẳng hạn như trong ổ đĩa máy tính hoặc đầu ghi băng video. Trục quay trong ổ đĩa CD, CD-ROM (v.v.) và các cơ cấu trong các thiết bị văn phòng, chẳng hạn như quạt, máy in laser và máy photocopy. Chúng có một số ưu điểm so với động cơ thông thường:

• Chúng hiệu quả hơn quạt AC sử dụng động cơ cực bóng mờ, chạy mát hơn nhiều so với các loại AC tương đương. Hoạt động mát mẻ này giúp cải thiện đáng kể tuổi thọ của vòng bi quạt.
• Không có bộ chuyển mạch, tuổi thọ của động cơ BLDC có thể dài hơn đáng kể so với động cơ DC chổi than có bộ chuyển mạch. Chuyển mạch thường gây ra nhiễu điện và nhiễu tần số vô tuyến; nếu không có bộ chuyển mạch hoặc chổi than, động cơ BLDC có thể được sử dụng trong các thiết bị nhạy cảm với điện như thiết bị âm thanh hoặc máy tính.
• Các cảm biến hiệu ứng Hall tương tự cung cấp chuyển mạch có thể cung cấp tín hiệu đo tốc độ vòng quay thuận tiện cho các ứng dụng điều khiển vòng kín (điều khiển bằng servo). Trong quạt, tín hiệu đo tốc độ vòng quay có thể được sử dụng để lấy tín hiệu “quạt OK” cũng như cung cấp phản hồi tốc độ chạy.
• Động cơ có thể được đồng bộ hóa với đồng hồ bên trong hoặc bên ngoài, cung cấp khả năng điều khiển tốc độ chính xác.
• Động cơ BLDC không phát tia lửa điện, khiến chúng phù hợp hơn với môi trường có hóa chất và nhiên liệu dễ bay hơi. Tia lửa điện cũng tạo ra ozone, có thể tích tụ trong các tòa nhà thông gió kém.
• Động cơ BLDC thường được sử dụng trong các thiết bị nhỏ như máy tính và thường được sử dụng trong quạt để tản nhiệt.
• Chúng tạo ra ít tiếng ồn, đây là một lợi thế đối với các thiết bị chịu ảnh hưởng của rung động.

Động cơ từ trở đóng ngắt

Động cơ từ trở đóng cắt (SRM) không có chổi than hay nam châm vĩnh cửu, và rotor không có dòng điện. Mô-men xoắn đến từ sự lệch pha nhẹ giữa các cực trên rotor và các cực trên stato. Rotor tự căn chỉnh với từ trường của stato, trong khi các cuộn dây từ trường stato được cấp điện tuần tự để làm quay từ trường stato.

Từ thông tạo ra bởi các cuộn dây từ trường đi theo đường từ tính thấp nhất, đưa từ thông qua các cực rotor gần nhất với các cực mang điện của stato, do đó từ hóa các cực đó của rotor và tạo ra mô-men xoắn. ​​Khi rotor quay, các cuộn dây khác nhau được cấp điện, giúp rotor tiếp tục quay.

Động cơ AC/DC vạn năng

Động cơ kích thích điện, nối tiếp hoặc song song, được gọi là động cơ vạn năng vì nó có thể được thiết kế để hoạt động bằng nguồn điện AC hoặc DC. Động cơ vạn năng có thể hoạt động tốt với nguồn điện AC vì dòng điện trong cả cuộn dây từ trường và cuộn dây phần ứng (và do đó là từ trường tổng hợp) đồng bộ đảo cực, và do đó lực cơ học tạo ra sẽ theo một hướng quay không đổi.

Các loại động cơ nâng cao

Động cơ quay

Động cơ rô-to không lõi hoặc không có lõi

Động cơ DC không lõi hoặc không có lõi là một động cơ DC nam châm vĩnh cửu chuyên dụng. Được tối ưu hóa để tăng tốc nhanh, rô-to được chế tạo không có lõi sắt. Rô-to có thể có dạng hình trụ chứa đầy cuộn dây, hoặc một cấu trúc tự hỗ trợ chỉ bao gồm dây và vật liệu liên kết.

Rô-to có thể nằm gọn bên trong các nam châm stato; một hình trụ tĩnh mềm từ tính bên trong rô-to cung cấp đường hồi lưu cho từ thông stato. Một cách sắp xếp thứ hai là giỏ quấn rô-to bao quanh các nam châm stato. Trong thiết kế này, rô-to nằm gọn bên trong một hình trụ mềm từ tính có thể đóng vai trò là vỏ động cơ và cung cấp đường hồi lưu cho từ thông.

Động cơ servo

Động cơ servo là động cơ được sử dụng trong hệ thống phản hồi điều khiển vị trí hoặc điều khiển tốc độ. Động cơ servo được sử dụng trong các ứng dụng như máy công cụ, máy vẽ bút và các hệ thống quy trình khác. Động cơ được sử dụng trong cơ cấu servo phải có các đặc tính dự đoán được về tốc độ, mô-men xoắn và công suất. Đường cong tốc độ/mô-men xoắn rất quan trọng và có tỷ số cao đối với động cơ servo.

Động cơ bước

Động cơ bước thường được sử dụng để tạo ra chuyển động quay chính xác. Một rotor bên trong chứa nam châm vĩnh cửu hoặc một rotor mềm từ tính với các cực lồi được điều khiển bởi một bộ nam châm bên ngoài được chuyển mạch điện tử. Động cơ bước cũng có thể được coi là sự kết hợp giữa động cơ điện một chiều và cuộn dây điện từ quay.

Tuyến tính

Động cơ tuyến tính về cơ bản là bất kỳ động cơ điện nào được “thả ra” sao cho, thay vì tạo ra mô-men xoắn (chuyển động quay), nó tạo ra một lực thẳng dọc theo chiều dài của nó.

Động cơ tuyến tính thường gặp nhất là động cơ cảm ứng hoặc động cơ bước. Động cơ tuyến tính thường được tìm thấy trong tàu lượn siêu tốc, nơi chuyển động nhanh của toa tàu không có động cơ được điều khiển bởi đường ray. Chúng cũng được sử dụng trong tàu đệm từ, nơi tàu “bay” trên mặt đất. Ở quy mô nhỏ hơn, máy vẽ bút HP 7225A đời 1978 sử dụng hai động cơ bước tuyến tính để di chuyển bút dọc theo trục X và Y.

Phi từ tính

Tĩnh điện

Động cơ tĩnh điện hoạt động dựa trên lực hút và đẩy của điện tích. Thông thường, động cơ tĩnh điện là sự kết hợp của động cơ cuộn dây thông thường. Chúng thường yêu cầu nguồn điện cao áp, mặc dù động cơ nhỏ sử dụng điện áp thấp hơn. Động cơ điện thông thường sử dụng lực hút và đẩy từ tính, và yêu cầu dòng điện cao ở điện áp thấp.

Áp điện

Động cơ áp điện hay động cơ piezo là một loại động cơ điện hoạt động dựa trên sự thay đổi hình dạng của vật liệu áp điện khi có điện trường tác dụng. Động cơ áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện ngược, nhờ đó vật liệu tạo ra rung động âm thanh hoặc siêu âm để tạo ra chuyển động tuyến tính hoặc quay. Trong một cơ chế, sự kéo dài trên một mặt phẳng duy nhất được sử dụng để tạo ra một loạt các lần kéo dài và giữ vị trí, tương tự như cách di chuyển của một con sâu bướm.

Động cơ đẩy điện

Hệ thống đẩy tàu vũ trụ chạy bằng điện sử dụng công nghệ động cơ điện để đẩy tàu vũ trụ ra ngoài không gian. Hầu hết các hệ thống đều dựa trên nguyên lý đẩy bằng điện để đạt tốc độ cao, trong khi một số hệ thống lại dựa trên nguyên lý dây điện động lực học để đẩy tới từ quyển.