Động Cơ Điện 1 Chiều: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Phương Pháp Khởi Động

Động cơ điện 1 chiều từ lâu đã được nghiên cứu và đưa vào áp dụng trong việc chế tạo máy móc đáp ứng yêu cầu trong nhiều lĩnh vực, giúp tiết kiệm công sức lao động và chi phí sản xuất đáng kể, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế. Vậy, cụ thể động cơ điện 1 là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng ra sao trong đời sống hiện nay?

1. Động cơ điện 1 chiều là gì?

Động cơ điện 1 chiều DC (DC là chữ viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors” trong tiếng Anh) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định. Hay theo cách nói về bản chất thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều.

Động cơ điện 1 chiều là chính loại động cơ đồng bộ, hoạt động bằng cách sử dụng dòng điện 1 chiều. Ở loại động cơ 1 chiều, tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều tỷ lệ thuận với nguồn điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay cũng luôn tỷ lệ thuận đối với dòng điện. Dựa vào các đặc tính trên mà động cơ DC được xem như là thành phần không thể thiếu trong chế tạo máy móc kỹ thuật đòi hỏi mô men khởi động lớn.

2. Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện 1 chiều được cấu tạo bởi Stator, Rotor, chổi than và cổ góp.

  • - Stator của motor DC: Là phần đứng yên, được chế tạo sử dụng từ 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, có thể là nam châm điện.

  • - Rotor: Là phần quay được, nó chính là lõi được quấn các cuộn dây nhằm mục đích tạo thành nam châm điện.

  • - Chổi than (còn được gọi là brushes): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho bộ phận cổ góp.

  • - Cổ góp (còn được gọi là commutator): Thực hiện nhiệm vụ tiếp xúc và chia điện đều cho các cuộn dây ở trên phần rotor (phần quay). 

3. Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều

Stato của motor điện 1 chiều thường là 1 hoặc gồm nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng bằng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện 1 chiều. Đồng thời, bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục. Bộ phận này sẽ gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp của động cơ.

Khi trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực tác động từ bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để nhằm tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF). Trong hoạt động, phần rotor quay sẽ phát ra 1 điện áp (hay còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter EMF (CEMF) hoặc còn được gọi là sức điện động đối kháng. 

Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng với chức năng giống như 1 chiếc máy phát điện. Lúc này, điện áp đặt trên động cơ sẽ gồm 2 thành phần chính là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng. 

Dòng điện chạy qua motor DC lúc này sẽ được tính bằng công thức sau: 

  • I = (Vnguon Vphandiendong)/ Rphanung

Và công suất cơ sẽ được tính bằng công thức: 

  • P = I * Vphandiendong

4. Phân loại các dạng động cơ điện 1 chiều

Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể thực hiện chia động cơ điện 1 chiều thành những loại nhỏ hơn dưới đây:

  • Loại động cơ điện 1 chiều có kích từ độc lập.

  • Loại động cơ điện 1 chiều với kích từ nối tiếp.

  • Loại động cơ điện 1 chiều với kích từ song song.

  • Loại động cơ điện 1 chiều với kích từ hỗn hợp, gồm có 2 cuộn dây kích từ, trong đó 1 cuộn mắc nối tiếp vào phần ứng, còn 1 cuộn mắc song song vào phần ứng của động cơ.

  • Loại động cơ điện 1 chiều được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

a) Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Khi nguồn 1 chiều chạy với công suất không đủ lớn thì mạch điện của phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào trong 2 nguồn sẽ độc lập với nhau là một đặc tính cơ dễ nhận thấy của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. Và khi đó, động cơ điện còn được gọi là động cơ điện 1 chiều có kích từ độc lập.

Sử dụng phương trình cân bằng điện áp của mạch điện trong phần ứng sau đây: Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư. Trong đó: Uư là ký hiệu của điện áp phần ứng, còn V Eư là ký hiệu của sức điện động trong phần ứng, V Rư chính là điện trở mạch phần ứng, Iư là dòng điện của mạch điện phần ứng.

Sử dụng công thức: Rư = rư + rcf + rb + rct rư, có nghĩa là: Mđt = Mcơ = M u f 2 U R R . K. (K. ) u M Ф Ф. Đây chính là phương trình đặc tính cơ của loại động cơ điện một chiều hoạt động bằng kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng đã được bù đủ thì khi đó từ thông không đổi (= const) thì các phương trình đặc tính cơ điện cùng với phương trình đặc tính cơ được xem là tuyến tính.

b) Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Quy ước chiều dòng điện vào động cơ là I, dòng điện phần ứng là Iư, dòng điện kích từ là Ikt thì sẽ được tính theo công thức: I = Iư + Ikt. Để mở máy, người ta sẽ thường dùng biến trở để mở máy (gọi là Rmở). 

Nhằm để điều chỉnh tốc độ của động cơ, người ta thường điều chỉnh Rđc để thay đổi dòng điện kích từ Ikt, đồng thời thay đổi cả từ thông Φ. Phương pháp này hiện đang sử dụng rất rộng rãi, tuy nhiên cần lưu ý rằng khi giảm từ thông Φ, có thể dòng điện trong phần ứng Iư sẽ tăng lên quá trị số cho phép.

5. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều 

Ngày nay, ứng dụng của động cơ điện 1 chiều rất đa dạng và đôi khi không thể thay thế bởi nguyên lý đặc biệt chỉ có ở động cơ điện 1 chiều. Nó được có mặt trong mọi lĩnh vực sản xuất công nghiệp và đời sống: dùng trong đài FM, ổ đĩa DC, trong tivi, máy công nghiệp, các loại máy in, máy photo,... 

Ngoài ra, động cơ điện 1 chiều được sử dụng thông dụng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải, trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay thường xuyên, liên tục trong một phạm vi lớn.

6. Các phương pháp khởi động động cơ 1 chiều

a) Phương pháp mở máy động cơ điện 1 chiều bằng khởi động mềm

Điều khiển điện áp 1 chiều cấp cho động cơ thường sử dụng thiết bị khởi động mềm thyristors. Do vậy, cần giảm dòng khởi động và làm cho gia tốc của động cơ không bị tăng lên một cách đột ngột, hạn chế được sự sụt áp của biến áp trong khi động cơ đang khởi động.

Hầu hết các khởi động mềm của động cơ 1 chiều hiện nay đều đã có được thiết kế tích hợp sẵn các chức năng để bảo vệ động cơ để người dùng yên tâm sử dụng.

b) Phương pháp sử dụng biến tần để khởi động

Phương pháp sử dụng biến tần được giới chuyên môn đánh giá là toàn diện nhất. Bởi nó hạn chế được dòng khởi động và tích hợp nhiều tính năng an toàn, cụ thể như chế độ bảo vệ động cơ, tránh tình trạng, quá nhiệt, quá tải, quá áp, thấp áp, mất pha, lệch pha,...

Chế độ khởi động sử dụng biến tần êm ái, giúp bảo vệ cho các chi tiết máy quan trọng như hộp số, ổ bi, tang trống,... được tích hợp cùng rất nhiều công nghệ hiện đại khác như bộ điều khiển PID, chế độ làm sạch đường ống, giám sát mô men tải, khởi động bám, và từ đó, giúp bảo vệ toàn diện cho động cơ điện.

c) Phương pháp mở máy trực tiếp cho động cơ điện

Phương pháp này được đánh giá là phương pháp đơn giản nhất, khi mở máy trực tiếp thì dòng điện mở máy rất lớn và kéo theo momen mở máy cũng rất lớn.

Đây là phương pháp khá đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp. Tuy nhiên, đối với động cơ trung bình và động cơ lớn thì quán tính của tải cũng lớn theo. Nhược điểm này gây kéo dài thời gian mở máy, gây cho động cơ điện phát quá nóng và gây ảnh hưởng lớn đến điện áp lưới điện bởi thời gian cần để giảm áp quá lâu.

7. Cách đảo chiều động cơ DC

Thực hiện đảo 2 dây kích từ, đây chính là động cơ đảo chiều rồi để điều khiển mạch đảo chiều motor DC. Hoặc cũng có thể đảo chiều phần ứng (roto) nhằm kích từ để tạo ra từ trường. Vấn đề dòng điện nối tiếp hay song song đều không làm ảnh hưởng tới motor. 

Đối với motor DC, kích từ sẽ được chia ra làm 2 cuộn dây với 4 đầu dây đó là F1, F2, F3, F4. Nếu mắc nối tiếp thì nối F2 với F3, còn F1, F4 sẽ nối tới bộ điều khiển. Trường hợp nối song song thì nối F1 với F2 , F3 sẽ nối với F4 và các đầu nối F1F2 cùng với F3F4 để đưa về bộ điều khiển.

Chổi than của motor 1 chiều thường bị mòn và sinh ra tia lửa điện gây hư hỏng phần cổ góp. Do vậy, phải định kỳ kiểm tra phần chổi than và cổ góp của motor, thường xuyên tra mỡ đầy đủ vào 2 ổ bi 2 ở đầu trục cho motor.

Một ví dụ cụ thể về cách đảo chiều đông cơ DC: 1 động cơ điện 1 chiều có tốc độ 10.000rpm thì  dòng điện là 1Ampe, hồ quang khi chạy với tốc độ tối đa vừa phải. Nếu điều chỉnh được vị trí chổi than của động cơ thì: động cơ chạy với tốc độ thuận chiều kim đồng hồ là 11.000rpm, dòng điện 0,8 ampe. Lúc này, động cơ có tốc độ chạy ngược chiều kim đồng hồ với 9.000rpm, dòng điện đạt 1,2 Ampe.