Động cơ điện DC: Cách chúng hoạt động, loại và ứng dụng

Thật là một Động cơ điện DC là

Động cơ điện một chiều (DC) là máy chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng cơ quay. Nó hoạt động theo nguyên tắc một dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường chịu một lực - và bằng cách sắp xếp các dây dẫn, nam châm và cơ cấu chuyển mạch một cách chính xác, lực này có thể được duy trì liên tục theo một hướng quay để tạo ra mô-men xoắn và tốc độ hữu ích tại trục đầu ra.

Động cơ DC là động cơ điện đầu tiên được phát triển để sử dụng trong công nghiệp thực tế, được tiên phong vào những năm 1830 bởi các nhà phát minh bao gồm William Sturgeon và Thomas Davenport, và trở thành loại động cơ thống trị trong suốt thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 trước khi công nghệ động cơ AC trưởng thành. Hôm nay, Động cơ DC vẫn cần thiết trong các hệ thống ô tô, dụng cụ điện cầm tay, thiết bị chạy bằng pin, xe điện và điều khiển chuyển động chính xác - các ứng dụng trong đó yêu cầu chính là tốc độ và mô-men xoắn có thể điều khiển được từ nguồn điện một chiều.

Động cơ DC hoạt động như thế nào: Giải thích về động cơ DC chổi than

Động cơ DC cổ điển - loại có chổi than - thể hiện nguyên lý hoạt động rõ ràng nhất. Các thành phần chính của nó là phần ứng (rotor), hệ thống từ trường (stator), cổ góp và chổi than.

các phần ứng là bộ phận quay, bao gồm một lõi sắt nhiều lớp được quấn với dây dẫn bằng đồng. Khi dòng điện một chiều chạy qua các dây dẫn này trong từ trường do stato cung cấp, mỗi dây dẫn sẽ chịu một lực Lorentz. Các dây dẫn được bố trí sao cho tất cả các lực tác dụng tiếp tuyến theo cùng một chiều quay, tạo ra một mômen xoắn làm quay phần ứng.

các fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The cổ góp giải quyết vấn đề này: đó là một vòng đồng được phân đoạn được gắn trên trục phần ứng, với mỗi đoạn được kết nối với một cuộn dây phần ứng khác nhau. Khi phần ứng quay, các đoạn cổ góp đi qua cacbon cố định bàn chải duy trì tiếp xúc điện với mạch ngoài. Hình dạng cổ góp đảm bảo rằng dòng điện luôn chạy đúng hướng qua bất kỳ dây dẫn nào ở vị trí tạo mô-men xoắn tối ưu — đảo chiều hiệu quả dòng điện trong mỗi cuộn dây vào đúng thời điểm để duy trì chuyển động quay một chiều liên tục.

Các loại động cơ DC và đặc điểm của chúng

Động cơ DC dòng

Trong động cơ nối tiếp, cuộn dây kích từ và cuộn dây phần ứng được mắc nối tiếp - cùng một dòng điện chạy qua cả hai. Điều này tạo ra mô-men xoắn khởi động rất cao vì ở tốc độ thấp, dòng điện cao chạy qua từ trường, tạo ra từ trường mạnh và do đó lực tác động lên dây dẫn phần ứng cao. Tuy nhiên, tốc độ tăng mạnh khi tải giảm, và một động cơ DC nối tiếp chạy không tải có thể đạt tốc độ cao nguy hiểm (một tình trạng gọi là "bỏ chạy"). Động cơ nối tiếp được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi mômen khởi động cao: lực kéo điện (tàu hỏa, xe điện), cần cẩu, tời nâng và động cơ khởi động trong động cơ đốt trong.

Động cơ DC Shunt

Trong động cơ shunt, cuộn dây kích từ được nối song song (shunt) với phần ứng qua điện áp nguồn. Bởi vì điện áp trường không đổi nên từ thông trường về cơ bản là không đổi bất kể dòng điện tải. Điều này mang lại cho động cơ shunt đặc tính xác định của nó: tốc độ tương đối ổn định trên một phạm vi tải rộng . Điều chỉnh tốc độ - phần trăm thay đổi tốc độ từ không tải đến đầy tải - thường là 5–15% trong động cơ shunt được thiết kế tốt. Động cơ Shunt phù hợp với máy công cụ, máy tiện, máy phay và quạt yêu cầu tốc độ không đổi dưới các tải khác nhau.

Động cơ DC phức hợp

Một động cơ hỗn hợp kết hợp cả cuộn dây kích từ nối tiếp và kích từ song song, kết hợp mô-men xoắn khởi động cao của cấu hình nối tiếp với sự ổn định tốc độ của kích từ song song. Sự kết hợp tích lũy (hỗ trợ từ trường) tạo ra mô-men xoắn khởi động cao với khả năng điều chỉnh tốc độ hợp lý. Tổ hợp vi sai (trường đối diện) cho đặc tính tốc độ rất phẳng nhưng hiếm khi được sử dụng do rủi ro mất ổn định. Động cơ hỗn hợp phục vụ máy ép, chày, thang máy và các tải khác đòi hỏi cả mômen khởi động tốt và tốc độ chạy ổn định.

Động cơ DC nam châm vĩnh cửu (PMDC)

Động cơ PMDC thay thế trường quấn bằng nam châm vĩnh cửu, loại bỏ tổn thất đồng trong cuộn dây trường và đơn giản hóa việc xây dựng. Họ cung cấp đặc tính mô-men xoắn tốc độ tuyến tính — tốc độ giảm tỷ lệ thuận khi mô-men xoắn tăng — khiến chúng rất dễ dự đoán và dễ điều khiển. Động cơ nam châm vĩnh cửu là loại chiếm ưu thế trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ: bộ truyền động phụ trợ ô tô (thang nâng cửa sổ, cần gạt nước, bộ điều chỉnh ghế), dụng cụ điện, máy in và các thiết bị nhỏ. Hạn chế chính của chúng là nam châm vĩnh cửu có thể khử từ ở nhiệt độ cao hoặc dưới dòng điện quá tải nghiêm trọng.

Động cơ DC không chổi than (BLDC)

các brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. Không có chổi than, không có hiện tượng mài mòn cơ học ở giao diện chuyển mạch , giúp động cơ BLDC có tuổi thọ dài hơn đáng kể, hiệu suất cao hơn (thường là 85–95%), tiếng ồn điện thấp hơn và khả năng vận hành ở tốc độ cao hơn nhiều so với động cơ chổi than tương đương. Động cơ BLDC thống trị các loại xe điện, máy bay không người lái, thiết bị HVAC, bộ truyền động servo công nghiệp và các dụng cụ điện không dây.

Động cơ DC có chổi than và không chổi than: Sự khác biệt chính

Kiểm soát tốc độ trong động cơ DC

Một trong những đặc điểm có giá trị nhất của động cơ DC là tốc độ của chúng có thể được kiểm soát một cách đơn giản — đặc tính khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các bộ truyền động công nghiệp có tốc độ thay đổi từ rất lâu trước khi công nghệ biến tần AC hiện đại ra đời. Tốc độ động cơ DC được điều chỉnh bởi phương trình EMF ngược:

Tốc độ ∝ (Điện áp nguồn − Điện áp rơi trên điện trở phần ứng) `Từ thông

Phương trình này cho thấy hai phương pháp kiểm soát tốc độ thực tế. Điều khiển điện áp phần ứng - giảm điện áp đặt vào phần ứng - giảm tốc độ một cách tương ứng trong khi vẫn duy trì từ thông toàn phần, duy trì khả năng mô-men xoắn tối đa ở tốc độ giảm. Đây là phương pháp tiêu chuẩn cho tốc độ dưới tốc độ cơ bản (định mức). Trường suy yếu - giảm dòng điện từ và do đó từ thông - tăng tốc độ trên tốc độ cơ bản, nhưng công suất mô-men xoắn giảm tỷ lệ do từ trường yếu hơn. Cùng với nhau, hai phương pháp này mang lại cho động cơ DC một phạm vi tốc độ có thể điều khiển được: thông thường 10:1 hoặc cao hơn trong các ứng dụng truyền động công nghiệp, so với 2:1 trở xuống đối với động cơ cảm ứng xoay chiều không điều khiển không có bộ truyền động tần số thay đổi.

Trong thực tế hiện đại, việc kiểm soát tốc độ được thực hiện bằng điện tử. Bộ điều khiển PLC (điều chế độ rộng xung) thay đổi điện áp hiệu dụng cho phần ứng bằng cách nhanh chóng bật và tắt nguồn ở tần số cao - tỷ lệ giữa thời gian bật và thời gian tắt (chu kỳ làm việc) xác định điện áp trung bình và do đó tốc độ. Điều khiển bằng xung điện có hiệu quả cao vì các bóng bán dẫn chuyển mạch tiêu hao năng lượng tối thiểu so với các phương pháp giảm điện áp bằng điện trở và cho phép điều chỉnh tốc độ chính xác với phản hồi đơn giản từ máy đo tốc độ hoặc bộ mã hóa trên trục động cơ.

Động cơ điện DC được sử dụng ở đâu

Động cơ DC xuất hiện trong rất nhiều ứng dụng, từ các thiết bị đo chính xác cỡ miliwatt đến bộ truyền động công nghiệp cỡ megawatt:

• Ô tô: Một chiếc xe khách hiện đại chứa đựng giữa Động cơ DC nhỏ 30 và 80 cửa sổ lái, gương, ghế ngồi, cần gạt nước, quạt làm mát, bơm nhiên liệu, bộ truyền động ABS và máy thổi HVAC. Động cơ khởi động - động cơ DC dòng mô-men xoắn cao - quay động cơ ở mỗi chu kỳ khởi động.
• Xe điện: BLDC và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (một biến thể của BLDC) cung cấp năng lượng cho lực kéo của xe điện chạy pin. Động cơ phía sau Model 3 của Tesla là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sản sinh công suất trên 250 kW từ một bộ phận nhỏ gọn, nhẹ.
• Dụng cụ điện: Máy khoan, bộ điều khiển, máy cưa tròn và máy mài góc không dây sử dụng động cơ DC (dòng phổ thông) hoặc BLDC (dòng chuyên nghiệp) được cấp nguồn bằng bộ pin lithium-ion.
• Tự động hóa công nghiệp và robot: Bộ truyền động servo trong máy công cụ CNC, cánh tay robot và thiết bị lắp ráp tự động sử dụng BLDC hoặc động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi than với vị trí vòng kín và điều khiển tốc độ để có chuyển động lặp lại, chính xác.
• Điện tử tiêu dùng: Động cơ trục chính của ổ đĩa cứng, quạt làm mát trong máy tính và máy chiếu cũng như động cơ rung trong điện thoại thông minh đều là động cơ DC thu nhỏ - thường là BLDC - chạy liên tục hoặc không liên tục trong các thiết bị kín.
• Đường sắt và vận chuyển: Động cơ kéo dòng DC cung cấp năng lượng cho mạng lưới đường sắt ngầm trong hơn một thế kỷ. Nhiều hệ thống tàu điện ngầm trên toàn thế giới vẫn vận hành cơ sở hạ tầng lực kéo DC, mặc dù toa xe hiện đại ngày càng sử dụng động cơ AC được cung cấp bởi bộ biến tần trên tàu.