DC Motor – Hoạt động của Động cơ DC: Từ Điện đến Chuyển động

Động cơ DC chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học thông qua một loạt các tương tác điện từ. Quá trình này diễn ra theo một trình tự chính xác, tuân theo các nguyên lý của điện từ để tạo ra lực quay.

Động cơ DC hoạt động theo nguyên lý khi một dây dẫn mang dòng điện được đặt trong từ trường, nó sẽ tạo ra lực cơ học. Hướng của lực này được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Động cơ DC và máy phát điện DC có cấu tạo tương tự nhau và có thể sử dụng thay thế cho nhau.

Trong các ứng dụng điện lớn, chẳng hạn như nhà máy thép và tàu điện, dòng điện xoay chiều (AC) thường được chuyển đổi thành DC vì động cơ DC cung cấp đặc tính tốc độ và mô-men xoắn vượt trội so với động cơ AC. Đối với mục đích sử dụng trong công nghiệp, động cơ DC thường được sử dụng phổ biến như động cơ cảm ứng ba pha.

1. Dòng điện chạy qua phần ứng: Khi nguồn điện một chiều được nối với động cơ, dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây phần ứng thông qua chổi than và cổ góp.
2. Tương tác từ trường: Dòng điện trong phần ứng tạo ra từ trường xung quanh cuộn dây. Từ trường này tương tác với từ trường tĩnh do stato tạo ra (có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện).
3. Tạo lực quay: Sự tương tác giữa từ trường của phần ứng và từ trường của stato tạo ra lực tác dụng lên cuộn dây phần ứng. Lực này vuông góc với cả từ trường và hướng dòng điện chạy qua, như được mô tả trong Quy tắc bàn tay trái của Fleming.
4. Quá trình chuyển mạch: Khi phần ứng quay, cổ góp sẽ chuyển hướng dòng điện trong cuộn dây vào những thời điểm chính xác. Điều này đảm bảo rằng từ trường của phần ứng vẫn ở vị trí tối ưu so với từ trường của stato, duy trì chuyển động quay liên tục.

Quy tắc bàn tay trái của Fleming đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu hoạt động của động cơ. Quy tắc này nêu rõ rằng nếu bạn mở rộng ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa của bàn tay trái vuông góc với nhau thì chúng đại diện cho hướng chuyển động, từ trường và dòng điện tương ứng. Trong động cơ DC, quy tắc này giúp dự đoán hướng của lực tác dụng lên dây dẫn phần ứng và từ đó dự đoán hướng quay. Bằng cách áp dụng quy tắc này, các kỹ sư có thể thiết kế động cơ có đặc điểm quay cụ thể và tối ưu hóa hiệu suất của chúng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Sự tương tác của các nguyên lý điện từ này cho phép động cơ DC chuyển đổi năng lượng điện thành công cơ học hữu ích một cách hiệu quả. Hiểu được các nguyên lý này là điều cần thiết để đánh giá cao tính linh hoạt và hiệu quả của động cơ DC trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Hệ thống Commutator-Brush: Duy trì chuyển động liên tục

Hệ thống chổi than-cổ góp là một thành phần quan trọng trong động cơ DC, đóng vai trò là bộ chỉnh lưu cơ học cho phép quay liên tục. Bộ cổ góp là một cấu trúc hình trụ được gắn trên trục cốt máy của động cơ, bao gồm nhiều đoạn đồng được cách điện với nhau. Các đoạn này được kết nối với các cuộn dây cốt máy. Chổi than, thường được làm bằng carbon hoặc graphite, là các thành phần cố định duy trì tiếp xúc liên tục với bộ cổ góp quay.

Khi phần ứng quay, chổi than trượt trên các đoạn cổ góp, tạo ra các kết nối điện thay đổi linh hoạt. Tiếp xúc trượt này cho phép chổi than cung cấp dòng điện từ nguồn điện đến các cuộn dây phần ứng thích hợp theo các khoảng thời gian chính xác. Chức năng chính của hệ thống này là đảo ngược hướng dòng điện chạy qua các cuộn dây phần ứng tại các điểm cụ thể trong quá trình quay.

Sự đảo ngược dòng điện là điều cần thiết để duy trì sự quay liên tục. Khi phần ứng quay, từ trường được tạo ra phải liên tục thay đổi hướng so với từ trường của stato để tạo ra mô men xoắn ổn định. Hệ thống chổi than-cổ góp đạt được điều này bằng cách chuyển đổi cực tính của dòng điện trong mỗi cuộn dây phần ứng khi nó đi qua các vị trí cụ thể. Sự chuyển đổi này đảm bảo rằng lực từ tác động lên phần ứng luôn đẩy nó theo cùng một hướng quay.

Hệ thống cổ góp-chổi than là một bộ phận quan trọng trong việc duy trì chuyển động quay liên tục. Nếu không có nó, động cơ sẽ chỉ dao động qua lại thay vì quay liên tục. Từ trường của phần ứng và stato luôn tương tác, đảm bảo lực quay không đổi. Hệ thống này cho phép động cơ DC chuyển đổi năng lượng điện thành công cơ học hữu ích một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Tuy nhiên, tiếp xúc vật lý giữa chổi than và cổ góp có một số hạn chế, chẳng hạn như hao mòn theo thời gian và khả năng phát tia lửa. Những yếu tố này đã dẫn đến sự phát triển của động cơ BLDC cho một số ứng dụng nhất định. Tuy nhiên, hệ thống chổi than-cổ góp truyền thống vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản, hiệu quả về chi phí và hành vi được hiểu rõ trong nhiều thiết kế động cơ.