Trong động cơ DC, dây dẫn mang dòng điện, điển hình là cuộn dây phần ứng, tương tác với từ trường để tạo ra lực dẫn động động cơ. Độ mạnh của lực này chịu ảnh hưởng của EMF (electromotive force – lực điện động) được tạo ra trong dây dẫn, liên quan trực tiếp đến tốc độ thay đổi của từ thông cắt qua dây dẫn. Trong nhiều thiết kế động cơ DC, từ trường quay được tạo ra bởi stato. Sự tương tác giữa từ trường này và dây dẫn mang dòng điện trong rôto tạo ra mô men xoắn cần thiết để quay.
Động cơ DC có nhiều cấu hình khác nhau, mỗi cấu hình được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất và nhu cầu vận hành cụ thể. Bốn loại động cơ DC chính là động cơ DC chổi than, động cơ DC không chổi than, động cơ DC nam châm vĩnh cửu và động cơ DC kích từ độc lập. Sau đây là một số loại động cơ DC phổ biến nhất:
- Động cơ DC nam châm vĩnh cửu sử dụng nam châm cố định cho trường của chúng, mang lại thiết kế nhỏ gọn và hiệu suất cao. Chúng cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ tuyệt vời và thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi định vị chính xác, chẳng hạn như robot, máy in và phụ kiện điện ô tô.
- Động cơ DC chổi than là loại truyền thống nhất, mang lại sự đơn giản và tiết kiệm chi phí. Chúng sử dụng hệ thống chuyển mạch cơ học với chổi than, giúp chúng dễ điều khiển nhưng cần bảo dưỡng định kỳ. Những động cơ này thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, dụng cụ điện và thiết bị gia dụng nhỏ.
- Động cơ DC không chổi than loại bỏ nhu cầu chuyển mạch cơ học bằng cách sử dụng chuyển mạch điện tử. Điều này dẫn đến hiệu suất cao hơn, bảo trì thấp hơn và tuổi thọ dài hơn. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi hệ thống điều khiển phức tạp hơn. Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong ổ cứng máy tính, xe điện và các ứng dụng công nghiệp có độ chính xác cao.
- Động cơ DC kích từ độc lập có cuộn dây từ trường và phần ứng độc lập, cho phép điều khiển tốc độ và mô-men xoắn linh hoạt. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi phạm vi tốc độ rộng hoặc mô-men xoắn không đổi ở nhiều tốc độ khác nhau. Chúng thường được sử dụng trong máy móc công nghiệp, thang máy, nhà máy cán và xe điện.
- Động cơ DC phức hợp kết hợp các đặc tính của cả động cơ nối tiếp và động cơ nối song song. Chúng có hai bộ cuộn dây kích từ: một bộ nối tiếp với cuộn dây phần ứng (trường nối tiếp) và bộ kia nối song song (trường shunt). Động cơ phức hợp được sử dụng trong máy ép, máy cắt, băng tải, tời, máy cán, máy bào hạng nặng, v.v.
Mỗi loại động cơ DC đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại động cơ phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Ví dụ, động cơ DC PM có thể lý tưởng cho một thiết bị nhỏ do kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao. Mặt khác, động cơ DC cuộn dây nối tiếp có thể phù hợp hơn cho ứng dụng hạng nặng đòi hỏi mô-men xoắn khởi động cao.
Động cơ DC chổi than
Trong động cơ DC chổi than, từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua bộ phận chuyển mạch và chổi than được kết nối với rôto. Chổi than, thường được làm bằng cacbon, có thể được kích từ độc lập hoặc tự kích từ. Stato có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện và tạo ra từ trường. Cuộn dây của rôto có thể được cấu hình nối tiếp hoặc song song, tạo ra động cơ DC quấn nối tiếp hoặc quấn phân luồng.
Cổ góp đóng vai trò như một công tắc điện, đảo chiều dòng điện giữa rôto và nguồn điện bên ngoài. Cơ chế này áp dụng dòng điện vào các cuộn dây, tạo ra mô-men xoắn quay nhất quán bằng cách thay đổi hướng dòng điện. Các phần cổ góp được liên kết với các cuộn dây rôto thông qua các thanh tiếp điểm gắn trong trục động cơ.
Có ba loại động cơ DC chính: kích từ độc lập, tự kích từ hoặc nam châm vĩnh cửu. Trong loại kích từ độc lập và tự kích từ, một nam châm điện được sử dụng trong cấu trúc stato. Với loại nam châm vĩnh cửu, nam châm cực mạnh sẽ tạo ra từ trường.
Động cơ DC tự kích từ được phân loại thành ba loại chính: shunt, nối tiếp và phức hợp. Động cơ kích từ phức hợp còn được chia thành động cơ tích lũy và động cơ vi sai, mỗi loại có cả shunt ngắn và dài.
Ưu điểm của động cơ DC chổi than:
Mạch điều khiển đơn giản: Động cơ DC chổi than tương đối dễ điều khiển, chỉ cần một nguồn điện đơn giản và một công tắc để đảo ngược hướng dòng điện.
Dễ dàng đảo ngược hướng: Việc đảo ngược hướng của động cơ DC chổi than rất đơn giản và có thể thực hiện được chỉ bằng cách đảo ngược cực tính của nguồn điện.
Mô-men xoắn khởi động cao: Động cơ DC chổi than được biết đến với mô-men xoắn khởi động cao, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng tăng tốc nhanh.
Phạm vi tốc độ rộng: Động cơ DC chổi than có thể hoạt động ở nhiều tốc độ khác nhau, mang lại sự linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Nhược điểm của động cơ DC chổi than:
Yêu cầu bảo trì thường xuyên: Chổi than trong động cơ DC có chổi than có thể bị hao mòn theo thời gian. Cần bảo dưỡng thường xuyên, bao gồm thay chổi than, để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Tuổi thọ hạn chế: Các bộ phận cơ học của động cơ DC có chổi than, chẳng hạn như cổ góp và chổi than, có thể bị mòn theo thời gian, làm hạn chế tuổi thọ của động cơ.
Khả năng gây nhiễu điện từ: Sự tiếp xúc giữa chổi than và bộ phận góp điện có thể tạo ra tia lửa điện, có thể dẫn đến nhiễu điện từ.
Hiệu suất thấp hơn: Động cơ DC chổi than thường có hiệu suất thấp hơn động cơ DC không chổi than. Điều này là do tổn thất năng lượng liên quan đến tiếp xúc cơ học giữa chổi than và bộ góp điện.
Mặc dù động cơ DC chổi than đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm, nhưng những hạn chế của chúng đã dẫn đến sự ưa chuộng ngày càng tăng đối với động cơ DC không chổi than trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, động cơ DC chổi than vẫn là một lựa chọn khả thi trong một số tình huống nhất định, đặc biệt là khi sự đơn giản và chi phí thấp là những cân nhắc quan trọng.
Động cơ DC không chổi than (BLDC)
Động cơ DC không chổi than (động cơ BLDC) là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoạt động bằng dòng điện một chiều với hệ thống chuyển mạch điều khiển điện tử. Hệ thống này tạo ra mô-men xoắn quay bằng cách thay đổi tuần tự các dòng pha. Động cơ BLDC đôi khi còn được gọi là động cơ nam châm vĩnh cửu hình thang.
Không giống như động cơ DC có chổi than, dựa vào tiếp xúc cơ học với rôto, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử. Trong động cơ BLDC, rôto được làm bằng nam châm vĩnh cửu, trong khi stato chứa một loạt các cuộn dây. Rôto quay khi các dây dẫn mang dòng điện của stato vẫn cố định ở một vị trí.
Các cuộn dây phần ứng trong động cơ BLDC được chuyển mạch điện tử bằng các bóng bán dẫn dựa trên vị trí của rôto, được phát hiện bởi các cảm biến Hall gắn trên stato. Cơ chế phản hồi này đảm bảo thời điểm chính xác để chuyển mạch dòng điện trong phần ứng, dẫn đến rôto quay.
Việc không có chổi than trong động cơ BLDC giúp tăng độ tin cậy và giảm tiếng ồn, với mức hiệu suất từ 85 đến 90 phần trăm. Thiết kế này giúp loại bỏ hiện tượng mài mòn chổi than và giảm thiểu tối đa việc tỏa nhiệt vì nam châm quay tạo ra rất ít nhiệt.
Ngược lại, động cơ DC không chổi than loại bỏ nhu cầu chuyển mạch vật lý bằng cách sử dụng chuyển mạch điện tử. Chúng thường có rôto nam châm vĩnh cửu và cuộn dây cốt cố định. Vị trí của động cơ được phát hiện bởi các cảm biến và dòng điện được chuyển mạch điện tử đến các cuộn dây thích hợp.
Ưu điểm của động cơ DC không chổi than:
- Hiệu suất cao hơn: Động cơ DC không chổi than có hiệu suất cao hơn so với động cơ DC có chổi than. Điều này là do ma sát và tổn thất điện giảm liên quan đến việc không có tiếp xúc cơ học giữa chổi than và bộ chuyển mạch.
- Tuổi thọ dài hơn: Không có hiện tượng hao mòn cơ học liên quan đến chổi than và cổ góp, động cơ DC không chổi than thường có tuổi thọ dài hơn mà ít phải bảo trì.
- Tản nhiệt tốt hơn: Việc không có chổi than và cổ góp trong động cơ DC không chổi than cho phép tản nhiệt tốt hơn, cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của động cơ.
- Khả năng tốc độ cao hơn: Động cơ DC không chổi than có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn so với động cơ DC có chổi than, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ quay cao.
- Hoạt động êm hơn: Việc không có tiếp xúc cơ học và giảm ma sát trong động cơ DC không chổi than giúp động cơ hoạt động êm hơn so với động cơ DC có chổi than.
Nhược điểm của động cơ DC không chổi than:
- Mạch điều khiển phức tạp và tốn kém hơn: Điều khiển động cơ DC không chổi than đòi hỏi thuật toán điều khiển và mạch phức tạp hơn so với động cơ DC có chổi than. Điều này làm tăng chi phí ban đầu và độ phức tạp.
- Chi phí ban đầu cao hơn: Do thiết kế và công nghệ tiên tiến, động cơ DC không chổi than thường có chi phí ban đầu cao hơn so với động cơ DC có chổi than.
- Yêu cầu thuật toán điều khiển phức tạp: Việc điều khiển chính xác động cơ DC không chổi than đòi hỏi các thuật toán phức tạp để đảm bảo hiệu suất và hiệu quả tối ưu.
- Khả năng khử từ: Trong một số trường hợp, nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ DC không chổi than có thể bị khử từ ở nhiệt độ cao, có khả năng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.
Những lợi thế mà động cơ DC không chổi than mang lại đã khiến chúng ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau. Hiệu suất cao hơn, tuổi thọ dài hơn và hiệu suất được cải thiện khiến chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn cho nhiều ngành công nghiệp. Một số lĩnh vực chính mà động cơ DC không chổi than đã đạt được sức hút bao gồm:
- Ngành công nghiệp ô tô: Xe điện và xe hybrid ngày càng sử dụng động cơ DC không chổi than cho hệ thống kéo và phụ trợ.
- Robot: Động cơ DC không chổi than mang lại khả năng điều khiển chính xác và mật độ công suất cao, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng robot.
- Tự động hóa công nghiệp: Động cơ DC không chổi than mang lại hiệu suất và độ tin cậy cao hơn cho máy móc công nghiệp.
- Điện tử tiêu dùng: Các thiết bị như máy bay không người lái, dụng cụ điện và máy hút bụi thường sử dụng động cơ DC không chổi than vì lợi ích của chúng.
Trong khi động cơ chổi than vẫn có chỗ đứng trong các ứng dụng đơn giản, nhạy cảm về chi phí thì xu hướng hướng tới công nghệ không chổi than đã rõ ràng trong các hệ thống quan trọng và hiệu suất cao. Khi thiết bị điện tử điều khiển trở nên giá cả phải chăng và nhỏ gọn hơn, động cơ không chổi than có khả năng tiếp tục chiếm lĩnh thị phần trên nhiều ứng dụng hơn.
