Động Cơ DC là gì? Động cơ điện từ và cơ chế chuyển mạch

Động cơ DC là gì?

Động cơ DC là động cơ điện sử dụng dòng điện một chiều (DC) để tạo ra lực cơ học. Các loại phổ biến nhất dựa vào lực từ do dòng điện trong cuộn dây tạo ra. Hầu như tất cả các loại động cơ DC đều có cơ chế bên trong, có thể là cơ điện hoặc điện tử, để định kỳ thay đổi hướng dòng điện trong một phần của động cơ.

Động cơ điện từ

Một cuộn dây dẫn có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra từ trường điện từ dọc theo trục trung tâm của cuộn dây. Hướng và cường độ của từ trường do cuộn dây tạo ra có thể thay đổi tùy theo hướng và cường độ dòng điện chạy qua nó.

Một động cơ DC đơn giản có bộ nam châm cố định và một cuộn rotor với một hoặc nhiều cuộn dây cách điện quấn quanh lõi sắt non để tập trung từ trường. Các cuộn dây thường được quấn nhiều vòng quanh lõi, và trong các động cơ lớn, có thể có nhiều đường dòng điện song song.

Cơ chế chuyển mạch điện

Động cơ DC chổi than

• Động cơ DC chổi than tạo ra mô-men xoắn trực tiếp từ nguồn điện DC cung cấp cho động cơ, nhờ cơ chế cổ góp bên trong, nam châm cố định (vĩnh cửu hoặc điện từ) và nam châm quay.
• Ưu điểm của động cơ DC chổi than bao gồm: chi phí ban đầu thấp, độ tin cậy cao và điều khiển tốc độ động cơ đơn giản.
• Nhược điểm là bảo trì cao và tuổi thọ thấp khi sử dụng cường độ cao.

Động cơ DC không chổi than

• Động cơ DC không chổi than điển hình sử dụng một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu ở rotor và nam châm điện trên vỏ động cơ (stator). Bộ điều khiển động cơ chuyển đổi dòng điện DC sang AC. Thiết kế này đơn giản về cơ học hơn so với động cơ có chổi than vì loại bỏ việc truyền năng lượng từ bên ngoài vào roto quay.
• Bộ điều khiển động cơ có thể cảm nhận vị trí rotor thông qua cảm biến hiệu ứng Hall hoặc các thiết bị tương tự, từ đó điều khiển chính xác thời điểm, pha và các thông số khác.

Động cơ DC không cần cổ góp

Một số loại động cơ DC không yêu cầu cơ chế cổ góp:

• Động cơ đồng cực – Động cơ đồng cực có từ trường dọc theo trục quay và dòng điện tại một số điểm không song song với từ trường. Tên gọi homopolar ám chỉ không có sự thay đổi cực tính. Động cơ đồng cực thường chỉ có cuộn dây một vòng, giới hạn chúng ở điện áp rất thấp, điều này làm hạn chế ứng dụng thực tế của loại động cơ này.
• Động cơ bạc đạn (Ball bearing motor) – Đây là một loại động cơ điện khá đặc biệt, gồm hai ổ bạc đạn, với vòng trong gắn trên một trục dẫn điện chung, và vòng ngoài được kết nối với nguồn điện dòng cao, điện áp thấp.

Stator nam châm vĩnh cửu

• Động cơ nam châm vĩnh cửu (PM) không có cuộn dây từ trường trên khung stator, mà sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường, tương tác với từ trường rotor nhằm sinh ra mô-men xoắn.
• Đối với các động cơ lớn, cuộn dây bù nối tiếp với armature có thể được sử dụng để cải thiện cơ chế cổ góp khi động cơ chịu tải.

Stator quấn dây

Có ba loại kết nối điện giữa stator và rotor trong động cơ DC: dây quấn nối tiếp, dây quấn song song  và dây quấn hỗn hợp là các kết hợp khác nhau giữa nối tiếp và song song. Mỗi loại có đặc tính tốc độ/mô-men xoắn riêng, phù hợp với các đặc điểm tải khác nhau.

Kết nối nối tiếp

Động cơ DC nối tiếp kết nối cuộn dây phần ứng và cuộn dây kích từ nối tiếp với nguồn điện một chiều chung. Tốc độ động cơ thay đổi theo hàm phi tuyến tính của mô-men xoắn tải và dòng điện phần ứng; dòng điện là chung cho cả stato và rôto, tạo ra dòng điện bình phương (I^2).

Động cơ nối tiếp có mô-men xoắn khởi động rất cao và thường được sử dụng để khởi động các tải trọng quán tính cao, chẳng hạn như tàu hỏa, thang máy hoặc máy nâng. Đặc tính tốc độ/mô-men xoắn này hữu ích trong các ứng dụng như máy đào gầu ngoạm, nơi dụng cụ đào di chuyển nhanh khi không tải nhưng chậm khi mang tải nặng.

Không bao giờ được khởi động động cơ nối tiếp ở chế độ không tải. Khi không có tải cơ học trên động cơ nối tiếp, dòng điện thấp, động lực phản điện do cuộn dây kích từ tạo ra yếu, do đó phần ứng phải quay nhanh hơn để tạo ra đủ lực phản kháng để cân bằng điện áp cung cấp. Động cơ có thể bị hỏng do quá tốc. Tình trạng này được gọi là mất kiểm soát.

Động cơ nối tiếp, còn được gọi là động cơ vạn năng, có thể được sử dụng với dòng điện xoay chiều. Vì điện áp phần ứng và hướng của từ trường đảo ngược cùng lúc nên mô-men xoắn vẫn tiếp tục được tạo ra theo cùng một hướng.

Kết nối song song

Động cơ DC song song (shunt) kết nối armature và cuộn dây từ trường song song với một nguồn điện DC chung. Loại động cơ này có điều chỉnh tốc độ tốt ngay cả khi tải thay đổi, nhưng không có mô-men khởi động lớn như động cơ DC nối tiếp. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp có thể điều chỉnh tốc độ, chẳng hạn như máy công cụ, máy quấn/gỡ và máy căng dây.

Kết nối hỗn hợp

• Động cơ DC hỗn hợp kết nối cuộn rotor và cuộn cảm từ trường theo cả nối tiếp và song song, mang đặc tính của cả động cơ DC nối tiếp và song song. Loại động cơ này được sử dụng khi cần mô-men khởi động cao đồng thời ổn định tốc độ tốt.
• Động cơ có thể được kết nối theo hai cách: hỗn hợp cộng hưởng hoặc hỗn hợp đối lập.
• Động cơ hỗn hợp cộng hưởng: Cuộn dây nối tiếp hỗ trợ cuộn dây song song, mang lại mô-men khởi động cao hơn nhưng ổn định tốc độ kém hơn.
• Động cơ hỗn hợp đối lập: Có ổn định tốc độ tốt và thường được vận hành ở tốc độ không đổi.