Giải thích về Động cơ DC: Nguyên lý làm việc, Loại & Có chổi than và Không chổi than

một là gì Động cơ DC và nó hoạt động như thế nào

Động cơ DC là một thiết bị cơ điện chuyển đổi năng lượng điện hiện tại thành chuyển động quay cơ học thông qua sự tương tác của từ trường. Dòng điện chạy qua một cuộn dây (phần ứng hoặc cuộn dây) được đặt bên trong từ trường và lực Lorentz sinh ra trên dây dẫn mang dòng điện tạo ra mô-men xoắn, làm cho trục quay.

Nguyên lý làm việc dựa trên một vòng phản hồi đơn giản giữa năng lượng điện và từ: khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường riêng tương tác với nam châm cố định (hoặc cuộn dây từ trường) của động cơ. Sự tương tác này tạo ra một lực vuông góc với cả dòng điện và từ trường, được mô tả bằng quy tắc bàn tay trái của Fleming, lực này đẩy rôto chuyển động quay liên tục miễn là dòng điện tiếp tục chạy và cực tính tiếp tục chuyển đổi đúng lúc.

• Stator: bộ phận đứng yên, có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ
• Rôto (phần ứng): cuộn dây quay mang dòng điện và tạo ra mômen xoắn
• Hệ thống chuyển mạch: chổi than/cổ góp cơ học hoặc chuyển mạch điện tử, tùy thuộc vào loại động cơ, đảo ngược hướng dòng điện để duy trì chuyển động quay

Động cơ DC có chổi than và không chổi than

Sự khác biệt cốt lõi là cách dòng điện được chuyển đổi bên trong động cơ: động cơ chổi than sử dụng chổi than vật lý và bộ chuyển mạch cơ học, trong khi động cơ không chổi than sử dụng bộ điều khiển điện tử và cảm biến vị trí. Trong động cơ DC có chổi than, dòng điện được cung cấp cho phần ứng quay thông qua chổi than có lò xo ép vào cổ góp phân đoạn, giúp đảo chiều dòng điện một cách cơ học khi trục quay.

Động cơ DC không chổi than đảo ngược cách sắp xếp này: nam châm vĩnh cửu nằm trên rôto và cuộn dây được cố định vào stato. Bộ điều khiển tốc độ điện tử chuyển đổi dòng điện qua cuộn dây stato theo trình tự, sử dụng phản hồi từ cảm biến hiệu ứng Hall hoặc cảm biến EMF ngược để định thời gian chính xác cho mỗi công tắc. Vì không có sự tiếp xúc vật lý nào bị hao mòn theo thời gian nên động cơ không chổi than có tuổi thọ lâu hơn đáng kể và chạy hiệu quả hơn ở mức công suất nhất định.

Các loại động cơ DC chính

Ngoài sự phân chia có chổi than/không chổi than, động cơ DC còn được phân loại theo cách kết nối cuộn dây kích từ với phần ứng, điều này định hình mô men xoắn và hành vi tốc độ của chúng khi chịu tải.

• Vết thương hàng loạt: cuộn dây từ trường và phần ứng mắc nối tiếp; tạo ra mô-men xoắn khởi động rất cao, được sử dụng trong các ứng dụng như động cơ khởi động và cần cẩu
• Vết thương shunt: cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng; mang lại tốc độ ổn định trên các tải khác nhau, phù hợp với quạt và truyền động băng tải
• Vết thương kép: kết hợp cuộn dây nối tiếp và cuộn dây song song để cân bằng mô-men xoắn khởi động cao với khả năng điều chỉnh tốc độ hợp lý
• Nam châm vĩnh cửu DC (PMDC): sử dụng nam châm cố định thay vì cuộn dây từ trường, mang lại thiết kế nhỏ gọn, hiệu quả thường thấy trong các thiết bị nhỏ và phụ kiện ô tô
• DC không chổi than (BLDC): được chuyển mạch điện tử, được sử dụng trên máy bay không người lái, xe điện, hệ thống HVAC và thiết bị công nghiệp chính xác

Ưu điểm của động cơ DC

Động cơ DC vẫn là lựa chọn ưu tiên trong nhiều ứng dụng vì chúng cung cấp tốc độ và mô-men xoắn chính xác, dễ điều khiển với sơ đồ điều khiển dựa trên điện áp đơn giản . Tốc độ gần như tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào và mô-men xoắn gần như tỷ lệ với dòng điện, điều này giúp điều khiển chúng dễ dàng mà không cần các thiết bị điện tử dẫn động dựa trên tần số phức tạp — không giống như hầu hết các động cơ xoay chiều.

• Mô-men xoắn khởi động cao, đặc biệt trong cấu hình dây quấn nối tiếp, hữu ích trong điều kiện khởi động chịu tải nặng
• Kiểm soát tốc độ mượt mà, phạm vi rộng thông qua điều chỉnh điện áp PLC đơn giản
• Tỷ lệ công suất trên kích thước nhỏ gọn, đặc biệt trong các thiết kế nam châm vĩnh cửu và không chổi than
• Tích hợp đơn giản với hệ thống DC chạy bằng pin và điện áp thấp, tránh sự cần thiết của bộ biến tần AC trong thiết bị di động

Cách chọn động cơ DC

Việc chọn động cơ DC phù hợp bắt đầu bằng việc kết hợp các yêu cầu về mô-men xoắn và tốc độ với tải thực tế chứ không chỉ với điện áp định mức. Tính toán mô-men xoắn cần thiết ở tốc độ vận hành, thêm giới hạn cho điều kiện khởi động và tải cao điểm, sau đó kiểm tra xem định mức mô-men xoắn liên tục của động cơ có bao gồm con số đó mà không vượt quá giới hạn nhiệt của nó trong quá trình hoạt động bình thường hay không.

• Chu kỳ hoạt động: các ứng dụng chạy liên tục cần một động cơ được định mức để duy trì tải nhiệt chứ không chỉ ở công suất tối đa
• Yêu cầu về tuổi thọ: động cơ không chổi than phù hợp với các ứng dụng có chu kỳ cao hoặc yêu cầu bảo trì hạn chế; Động cơ chổi than được chấp nhận cho các mục đích sử dụng có tải trọng thấp, nhạy cảm với chi phí
• Điều khiển chính xác: các ứng dụng cần điều khiển vị trí hoặc tốc độ tốt được hưởng lợi từ động cơ không chổi than được ghép nối với bộ mã hóa
• Điều kiện môi trường: vỏ kín hoặc xếp hạng IP rất quan trọng đối với động cơ tiếp xúc với bụi, hơi ẩm hoặc rung
• Hạn chế về điện áp và nguồn điện: điện áp pin có sẵn hoặc điện áp bus DC phải phù hợp với phạm vi đầu vào định mức của động cơ để tránh chuyển đổi tăng/giảm bước không hiệu quả