Động cơ DC có chổi than: Nguyên lý làm việc, ưu, nhược điểm và bảo trì

Động cơ DC chổi than là gì

A động cơ DC chải là một động cơ điện chuyển đổi dòng điện một chiều thành chuyển động quay bằng hệ thống chuyển mạch cơ học - một bộ chổi than hoặc than chì đồng tiếp xúc trượt với cổ góp quay để phân phối dòng điện đến cuộn dây phần ứng theo đúng trình tự. Đây là dạng động cơ DC lâu đời nhất và đơn giản nhất về mặt cơ học và vẫn được sử dụng rộng rãi ở những nơi có chi phí thấp và điều khiển đơn giản quan trọng hơn hiệu suất hoặc tuổi thọ tối đa.

Đặc điểm nổi bật giúp phân biệt nó với động cơ không chổi than chính là hệ thống chổi than và cổ góp này: sự đảo chiều dòng điện diễn ra tự động thông qua tiếp xúc vật lý và chuyển mạch cơ học, thay vì thông qua bộ điều khiển điện tử bên ngoài.

Động cơ DC chải Nguyên tắc làm việc

Dòng điện chạy từ nguồn điện qua chổi than vào cổ góp, dẫn nó vào cuộn dây phần ứng. Dòng điện này tạo ra một từ trường xung quanh phần ứng tương tác với từ trường cố định của động cơ (từ nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây kích từ) , tạo ra mô men xoắn làm quay trục. Khi phần ứng quay, các đoạn cổ góp quay qua chổi than cố định, tự động đảo chiều dòng điện trong mỗi cuộn dây vào đúng thời điểm để giữ cho mô-men xoắn tác dụng theo hướng quay nhất quán.

Chuyển mạch cơ học này là nguyên nhân làm cho động cơ chổi than tự chuyển mạch — không cần thiết bị điện tử bên ngoài để xác định thời điểm đảo chiều dòng điện, không giống như động cơ không chổi than phụ thuộc vào cảm biến và bộ điều khiển để thực hiện chức năng tương tự bằng điện tử.

Giải thích về các thành phần động cơ DC được chải

Động cơ DC chổi than được sử dụng để làm gì

• Sản phẩm tiêu dùng nhạy cảm với chi phí: dụng cụ điện, đồ chơi, thiết bị nhỏ và đồ điện tử theo sở thích
• Phụ kiện ô tô: nâng cửa sổ, điều chỉnh ghế, động cơ gạt nước và động cơ quạt gió HVAC
• Truyền động công nghiệp đơn giản: máy bơm chu kỳ thấp, bộ truyền động băng tải nhỏ và hệ thống định vị cơ bản
• Các thiết bị chạy bằng pin có đủ điện áp điều khiển bằng xung điện xung đơn giản và chi phí vượt xa mối lo ngại về hiệu quả

Ưu điểm của động cơ DC chổi than

• Kiểm soát đơn giản, chi phí thấp: tốc độ và mô-men xoắn điều chỉnh trực tiếp với điện áp được áp dụng bằng mạch điện cơ bản
• Chi phí trả trước thấp hơn: xây dựng đơn giản hơn và không cần bộ điều khiển tốc độ điện tử
• Mô-men xoắn khởi động cao: hiệu quả cho các ứng dụng cần mô-men xoắn mạnh khi đứng yên
• Dễ dàng khắc phục sự cố và sửa chữa: điểm hao mòn cơ học rất dễ kiểm tra và thay thế

Nhược điểm của Động cơ DC chảis

• Độ mòn của bàn chải: tiếp xúc vật lý giữa chổi than và cổ góp bị mòn theo thời gian, cần phải thay thế định kỳ
• Hiệu quả thấp hơn: ma sát và phóng điện ở điểm tiếp xúc với chổi than tạo ra tổn thất năng lượng không có trong các thiết kế không chổi than
• Tiếng ồn điện (EMI): phóng điện tại điểm tiếp xúc chổi than-cổ góp tạo ra nhiễu điện có thể gây nhiễu các thiết bị điện tử nhạy cảm gần đó
• Sự tích tụ nhiệt: tổn thất ma sát và điện trở ở chổi tạo ra nhiệt bổ sung so với thiết kế không chổi than
• Tuổi thọ sử dụng ngắn hơn: sự hao mòn của chổi than cuối cùng sẽ hạn chế tổng thời gian vận hành hơn hầu hết các bộ phận động cơ khác

Tuổi thọ và bảo trì động cơ DC được chải

Độ mòn của chổi than là yếu tố chính hạn chế tuổi thọ sử dụng của động cơ DC có chổi than và nó tăng tốc khi có dòng điện cao hơn, tốc độ cao hơn và môi trường hoạt động bụi bẩn hơn. Tuổi thọ bàn chải điển hình dao động từ vài trăm đến vài nghìn giờ tùy thuộc vào chu kỳ làm việc, tải trọng và vật liệu chổi than, động cơ chạy không liên tục ở tải nhẹ sẽ kéo dài lâu hơn đáng kể so với động cơ chạy liên tục dưới tải nặng.

• Kiểm tra định kỳ bàn chải về độ dài và độ mòn; thay thế trước khi chúng mòn đến mức mất đi áp lực tiếp xúc của lò xo
• Làm sạch sự tích tụ bề mặt cổ góp (bụi carbon, oxy hóa) để duy trì tiếp xúc điện ổn định
• Kiểm tra vết rỗ hoặc điểm cổ góp, điều này làm tăng tốc độ mài mòn của chổi than khi nó bắt đầu
• Giữ cho vỏ động cơ không có bụi và mảnh vụn vì các hạt trong không khí làm tăng độ mài mòn của chổi than và cổ góp
• Tránh hoạt động quá dòng kéo dài, làm tăng hồ quang và tăng tốc độ xuống cấp của chổi than và cổ góp

Cách điều khiển động cơ DC có chổi than

Động cơ DC chổi than được điều khiển chủ yếu thông qua điều chỉnh điện áp , vì tốc độ gần như tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào và mô men xoắn gần như tỷ lệ với dòng điện rút ra. Phương pháp điều khiển phổ biến nhất là điều chế độ rộng xung (PWM), trong đó bộ điều khiển bật và tắt toàn bộ điện áp cung cấp một cách nhanh chóng và tỷ lệ giữa thời gian bật và thời gian tắt (chu kỳ làm việc) xác định điện áp trung bình hiệu dụng mà động cơ nhìn thấy.

Điều khiển hướng được xử lý thông qua mạch cầu H, cho phép dòng điện chạy qua động cơ theo một trong hai hướng bằng cách chuyển đổi đầu nối nguồn nào kết nối với đầu nối động cơ nào. Việc kết hợp điều khiển tốc độ PLC với điều khiển hướng cầu H mang lại khả năng kiểm soát hướng và tốc độ tối đa từ mạch điều khiển đơn giản, chi phí thấp, đó là một phần lý do tại sao động cơ chổi than vẫn phổ biến trong các ứng dụng nhạy cảm với chi phí.

Cách cải thiện hiệu suất động cơ DC có chổi than

• Sử dụng chất liệu cọ chất lượng: chổi than hoặc than chì đồng cao cấp hơn giúp giảm điện trở tiếp xúc và tổn thất hồ quang
• Duy trì độ căng lò xo bàn chải thích hợp: lực căng quá ít sẽ làm tăng điện trở hồ quang và tiếp xúc; quá nhiều làm tăng tốc độ mài mòn
• Giữ cho cổ góp sạch sẽ và trơn tru: tích tụ hoặc rỗ làm tăng điện trở tiếp xúc và sinh nhiệt
• Tránh chạy dưới điện áp định mức trong thời gian dài: hoạt động dưới điện áp làm tăng dòng điện đối với một mô-men xoắn nhất định, làm tăng tổn thất điện trở
• Kích thước động cơ chính xác cho tải: một động cơ quá khổ chạy dưới công suất định mức sẽ gây lãng phí hiệu suất so với một động cơ phù hợp