Động cơ là gì và nó hoạt động như thế nào? Các loại & nguyên tắc

Động cơ là gì: Định nghĩa cốt lõi

Động cơ là một thiết bị chuyển đổi một dạng năng lượng thành chuyển động cơ học - cụ thể là chuyển động quay hoặc chuyển động tuyến tính. Theo nghĩa rộng nhất, thuật ngữ này bao gồm các động cơ đốt trong, động cơ thủy lực và bộ truyền động khí nén, nhưng trong kỹ thuật hiện đại và sử dụng hàng ngày, "động cơ" hầu như luôn đề cập đến một động cơ. động cơ điện : một máy chuyển đổi năng lượng điện thành công việc cơ khí thông qua sự tương tác của từ trường.

Động cơ điện là động cơ cơ khí chủ yếu trên thế giới. Họ điều khiển máy bơm, máy nén, quạt, băng tải, máy công cụ, xe điện, thiết bị gia dụng và hầu như mọi thiết bị công nghiệp tự động. Người ta ước tính rằng động cơ điện chiếm khoảng 45–50% tổng lượng điện tiêu thụ toàn cầu - một con số phản ánh cách động cơ hỗ trợ hoàn toàn cho cuộc sống công nghiệp và gia đình hiện đại. Hiểu động cơ là gì và cách thức hoạt động của nó là kiến ​​thức nền tảng cho bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật, sản xuất hoặc dịch vụ xây dựng.

Nguyên lý vật lý đằng sau mỗi động cơ điện

Tất cả các động cơ điện - bất kể loại, kích thước hay mức công suất - đều hoạt động dựa trên một nguyên lý vật lý cơ bản duy nhất: một dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường chịu một lực cơ học . Điều này được mô tả bởi định luật lực Lorentz, trong đó phát biểu rằng lực tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện tỷ lệ với cường độ dòng điện, cường độ từ trường và chiều dài của dây dẫn trong trường.

Trong động cơ thực tế, nguyên lý này được áp dụng liên tục và ở dạng hình học được điều khiển để tạo ra chuyển động quay liên tục. Các dây dẫn được bố trí thành một cuộn dây trên một bộ phận quay (rôto), được bao quanh bởi một từ trường được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc bởi nam châm điện trong bộ phận đứng yên (stato). Khi dòng điện chạy qua dây dẫn rôto, lực Lorentz sẽ đẩy chúng tiếp tuyến - nghĩa là vuông góc với cả hướng dòng điện và hướng từ trường - tạo ra mô-men xoắn quanh trục quay của động cơ.

Thách thức trong thiết kế động cơ là duy trì mô-men xoắn này liên tục khi rôto quay. Nếu hướng dòng điện trong dây dẫn vẫn cố định trong khi rôto quay thì hướng của lực sẽ đảo ngược sau nửa vòng quay và rôto sẽ giảm tốc trở lại vị trí ban đầu. Tất cả các thiết kế động cơ đều giải quyết vấn đề này theo cách khác nhau — và những giải pháp khác nhau đó xác định các loại động cơ riêng biệt được sử dụng trong toàn ngành.

Các bộ phận chính của động cơ điện

Mặc dù có nhiều kiểu dáng động cơ khác nhau nhưng hầu như tất cả các động cơ điện đều có chung các thành phần cấu trúc cơ bản:

• Stator: Cấu trúc bên ngoài cố định của động cơ. Chứa các cuộn dây từ trường hoặc nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường trong đó rôto hoạt động. Trong động cơ cảm ứng xoay chiều, cuộn dây stato cũng tạo ra từ trường quay làm quay rôto.
• Rôto (phần ứng): Bộ phận quay bên trong. Mang dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu tương tác với từ trường stato để tạo ra mô-men xoắn. Rôto được gắn trên trục trung tâm để truyền đầu ra cơ học tới tải được điều khiển.
• Trục: Thanh thép chạy qua tâm rôto để truyền công suất cơ quay đến máy được dẫn động - cánh bơm, cánh quạt, hộp số, bánh xe hoặc bất kỳ tải trọng nào khác.
• Vòng bi: Đỡ trục rôto và cho phép nó quay với ma sát tối thiểu trong stato. Vòng bi là tiêu chuẩn cho hầu hết các ứng dụng; vòng bi tay áo được sử dụng trong động cơ nhỏ tải thấp; Vòng bi lăn và côn xử lý tải trọng trục cao trong động cơ công nghiệp nặng.
• Nhà ở (khung, vỏ): Vỏ ngoài hỗ trợ stato, bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi môi trường và ở hầu hết các động cơ đều tản nhiệt qua các cánh tản nhiệt trên bề mặt bên ngoài. Xếp hạng vỏ bọc (xếp hạng IP) xác định mức độ bảo vệ chống bụi và nước xâm nhập.
• Cổ góp và chổi than (chỉ dành cho động cơ DC): Cơ cấu chuyển mạch đảo chiều dòng điện trong cuộn dây rôto để duy trì mô-men xoắn liên tục. Không có trong các thiết kế động cơ AC và không chổi than, trong đó chức năng chuyển mạch được xử lý bằng điện bằng dạng sóng cung cấp hoặc bằng bộ điều khiển điện tử.

Cách thức hoạt động của động cơ: Từng bước

1. Năng lượng điện được cung cấp tới các cực của động cơ, dưới dạng dòng điện một chiều (DC) hoặc dòng điện xoay chiều (AC) tùy thuộc vào loại động cơ.
2. Dòng điện chạy qua cuộn dây stato (hoặc cuộn dây rôto trong một số thiết kế), tạo ra từ trường. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu, trường stato luôn xuất hiện mà không cần kích thích điện.
3. Các dây dẫn rôto hoặc nam châm tương tác với từ trường stato. Lực Lorentz tác dụng lên các dây dẫn rôto mang dòng điện, hoặc lực hút và lực đẩy từ tính giữa rôto và nam châm stato, tạo ra một lực tiếp tuyến - mô men xoắn - lên rôto.
4. Rôto tăng tốc và đạt tốc độ vận hành, tại thời điểm đó mômen dẫn động bằng mômen tải (ma sát, quán tính và lực cản cơ của máy được dẫn động). Ở trạng thái cân bằng này động cơ chạy ở tốc độ ổn định.
5. Cơ cấu chuyển mạch duy trì mô-men xoắn liên tục khi rôto quay. Trong động cơ chổi than DC, cổ góp đảo ngược dòng điện trong cuộn dây rôto ở vị trí quay chính xác. Trong động cơ xoay chiều, dòng điện xoay chiều đảo chiều một cách tự nhiên, tạo ra từ trường quay theo rôto. Trong động cơ đồng bộ và DC không chổi than, bộ điều khiển điện tử sẽ chuyển đổi dòng điện qua cuộn dây stato theo trình tự để duy trì hướng từ trường tạo ra mô-men xoắn.
6. Công suất cơ được truyền tới trục đầu ra, được định nghĩa là tích của mô-men xoắn và tốc độ quay (Công suất = Mô-men xoắn × Vận tốc góc). Hiệu suất của động cơ - tỷ lệ giữa công suất đầu ra cơ học và công suất điện đầu vào - xác định bao nhiêu năng lượng điện được chuyển đổi hữu ích so với lượng năng lượng điện bị mất đi dưới dạng nhiệt trong cuộn dây và lõi.

Các loại động cơ chính và nguyên lý hoạt động của chúng

Các thông số hiệu suất động cơ chính

Khi chỉ định hoặc đánh giá một động cơ, các thông số sau sẽ xác định đường bao hiệu suất của nó:

• Công suất định mức (kW hoặc hp): Công suất cơ học liên tục mà động cơ có thể cung cấp mà không vượt quá định mức nhiệt của nó. Việc vận hành động cơ liên tục trên mức công suất định mức sẽ làm suy giảm cách điện của cuộn dây và rút ngắn tuổi thọ sử dụng.
• Tốc độ định mức (RPM): Tốc độ quay mà tại đó động cơ phát ra công suất định mức. Động cơ cảm ứng xoay chiều có tốc độ đồng bộ được xác định bởi tần số nguồn và số cực - động cơ 4 cực trên nguồn 50 Hz chạy ở tốc độ khoảng 1.450–1.480 vòng/phút khi có tải (tốc độ đồng bộ 1.500 vòng/phút trừ độ trượt).
• Mô-men xoắn (Nm): Lực quay mà động cơ tạo ra. Mô-men xoắn khởi động (mô-men xoắn rôto bị khóa) là mô-men xoắn có sẵn ở tốc độ 0 - rất quan trọng đối với các tải yêu cầu lực cao để bắt đầu chuyển động. Mô-men xoắn toàn tải là mô-men xoắn ở tốc độ và công suất định mức.
• Hiệu quả (%): Tỷ số giữa công suất đầu ra cơ học và công suất đầu vào điện. Động cơ cảm ứng AC hiệu suất cao hiện đại (IE3 và IE4) đạt được Hiệu suất 93–97% ở mức đầy tải; động cơ tiêu chuẩn cũ hơn có thể chạy ở mức 85–90%. Sự khác biệt này có ý nghĩa đáng kể về chi phí vận hành trong thời gian sử dụng 15–20 năm của động cơ.
• Chu kỳ nhiệm vụ: Xác định xem động cơ được định mức cho hoạt động liên tục (S1), chế độ làm việc trong thời gian ngắn (S2) hay chế độ làm việc định kỳ gián đoạn (S3–S9). Động cơ được xếp hạng cho chế độ làm việc không liên tục sẽ quá nóng nhanh chóng nếu chạy liên tục ở mức đầy tải.