Động cơ DC là gì? Cấu tạo của động cơ DC trong máy chạy bộ

Chắc hẳn ai trong chúng ta cũng đã từng nghe qua về động DC trong cấu tạo của máy chạy bộ. Một chiếc máy chạy bộ chất lượng phụ thuộc nhiều vào động cơ DC có hoạt động hiệu quả hay không. Vậy động cơ DC là gì và có cấu tạo, hoạt động như thế nào? Cùng Điện máy XANH tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!

1Động cơ DC là gì? Ưu điểm của động cơ DC

Động cơ DC(Direct Current Motors) hay còn gọi là động cơ một chiều được sử dụng và ứng dụng trong dòng điện một chiều. Động cơ DC còn được coi là máy điện chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

Động cơ điện một chiều DC

1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ DC

Động cơ DC lấy năng lượng điện thông qua dòng điện trực tiếp và chuyển đổi năng lượng điện này thành vòng quay cơ học. Khi động cơ DC lấy năng lượng điện sẽ tạo ra một từ trường trong Stator. Từ trường này sẽ thu hút và đẩy lùi nam châm trên Roto, làm cho Roto quay.

Nguyên lý hoạt động này chúng ta còn được biết với cái tên “Quy tắc bàn tay trái” được dạy trong môn Vật Lý. Tuy nhiên, để cỗ máy có thể hoạt động thì Roto cần quay liên tục không ngừng nghỉ, người ta sẽ gắn bộ chuyển đổi vào bàn chải đã kết nối với dòng điện để cung cấp nguồn điện cho cuộn dây động cơ.

Ngoài ra, tốc độ quay của mỗi loại động cơ DC sẽ thay đổi và khác nhau theo từng chu kỳ thời gian, có thể là vòng/phút hoặc nghìn vòng/phút tùy thuộc vào việc ứng dụng đối với từng thiết bị khác nhau.

Có thể nói động cơ DC là loại động cơ đơn giản và phổ biến nhất, được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo như trong thiết bị gia dụng, lắp ráp quạt trần, dao cạo thông minh, cửa sổ điện ô tô,...

Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều DC

1.2. Ưu điểm của DC

Động cơ DC có cấu tạo và hoạt động đơn giản nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ sản xuất và chế tạo một số đồ vật. Dù đơn giản và nhỏ bé nhưng động cơ DC đem lại rất nhiều lợi ích và ưu điểm nổi bật:

• Động cơ DC có công suất 35 - 60W, tiêu thụ ít điện năng hơn do chỉ cấp điện cho Stato chứ không cần cấp điện cho Roto. Vì vậy, động cơ DC có khả năng tiết kiệm hơn các động cơ một chiều khác rất nhiều.
• Động cơ DC có thiết kế đơn giản và có sử dụng nam châm vĩnh cửu nên sử hoạt động bền bỉ hơn, gia tăng được tuổi thọ (trung bình 15 năm).
• Động cơ DC có khả năng biến đổi dòng điện liên tục nên phù hợp với nhiều dòng điện khác nhau mà vẫn đảm bảo hoạt động hiệu quả.
• Trọng lượng khá nhẹ nên có thể dễ dàng lắp đặt dù ở nơi cao và có độ an toàn cao.
• Động cơ điện một chiều DC có chổi than được đánh giá cao với khả năng khởi động và điều chỉnh đạt hiệu suất tốt.
• Động cơ DC được ứng dụng nhiều nhất trong việc lắp ráp và sản xuất quạt trần với khả năng tiết kiệm điện và không gây tiếng ồn.

Động cơ DC có cấu tạo đơn giản và có nhiều ưu điểm

1.3. Nhược điểm của DC

Đi đôi với những ưu điểm vượt trội, động cơ DC cũng không tránh khỏi những nhược điểm trong quá trình hoạt động như:

• Giá thành cao hơn so với những loại động cơ dòng điện một chiều khác như AC.
• Động cơ điện một chiều DC có cấu tạo đơn giản nhưng có tiếp điểm giữa chổi than và cổ góp, có khả năng tạo ra các tia điện trong quá trình hoạt động và mài mòn cơ học. Do đó, làm tăng nhiệt độ của động cơ DC và có thể hư hỏng, cháy chập khi hoạt động quá mức.

2Phân loại động cơ DC

Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động và mục tiêu khác nhau, động cơ DC sẽ được phân chia và chế tạo để ứng dụng, phù hợp với từng loại vật dụng khác nhau. Mỗi loại động cơ sẽ có cấu tạo và ưu, nhược điểm khác nhau. Trong đó, có 5 loại động cơ điện một chiều DC dưới đây.

2.1. Động cơ DC có chổi than (Brushed DC Motor)

Động cơ DC có chổi than tạo ra từ trường Roto (bộ phận quay) bằng cách cho dòng điện đi qua cổ góp và chổi than. Từ trường của Stato (bộ phận đứng im) được tạo ra nhờ cuộn dây từ trường stato hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu. Do đó, động cơ DC được cho là rẻ, dễ sử dụng và điều khiển so với những loại động cơ DC khác.

Ưu điểm:

• Chi phí thấp, an toàn và dễ dàng sử dụng
• Hiệu quả hoạt động vừa phải
• Có thể bài trì khi chổi than bị mòn

Nhược điểm:

• Tuổi thọ giảm khi sử dụng với công suất cao
• Chổi than dễ mòn khi sử dụng nên phải bảo trì và thay thế thường xuyên.

Động cơ DC có chổi than tạo ra từ trường Roto (Brushed DC Motor)

2.2. Động cơ DC kích thích riêng biệt

Đặc điểm của động cơ điện một chiều DC kích thích riêng biệt là có nguồn cung cấp điện riêng biệt cho cuộn dây và cuộn dây trường sẽ ứng dụng, tách biệt về mặt điện với nhau.

Cấu tạo động cơ DC kích thích riêng biệt

Vì vậy, các hoạt động của dòng cảm ứng và dòng điện trường không can thiệp vào hoạt động của nhau. Dòng điện đầu vào sẽ là tổng của 2 dòng điện này. Đặc điểm về nguyên lý hoạt động của động cơ DC kích thích riêng biệt:

• Tốc độ của động cơ không thay đổi, không phụ thuộc vào tải. Do đó, động cơ DC kích thích riêng biệt được ứng dụng nhiều với mô men khởi động thấp như các máy công cụ.
• Có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phần cứng (giảm tốc độ hoạt động) hoặc lắp thêm điện trở nối tiếp với mạch kỷ tử (tăng tốc độ hoạt động)

Động cơ DC kích thích riêng biệt có nguồn cung cấp điện riêng

2.3. Động cơ DC không chổi than

Động cơ điện một chiều DC không chổi than hay còn được gọi là động cơ BLDC (Brushless DC motor) tạo ra từ trường Roto (bộ phận quay) bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu và sự chuyển dịch của mạch điện từ di chuyển xung quanh Stato.

Động cơ DC không chổi than là một động cơ đồng bộ, tốc độ Roto bằng với tốc độ từ trường, hiệu quả hơn và có tuổi thọ cao hơn so với động cơ DC có chổi than. Vậy nên động cơ này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp tự động, máy in, ô tô, y tế và thiết bị đo đạc.

Động cơ DC không chổi than

Ưu điểm:

• Hiệu suất cao, vận hành nhẹ nhàng, êm ái
• Có thể tăng/giảm tốc độ trong một thời gian ngắn
• Hiệu suất động cơ lên tới 90% trong khi các động cơ khác chỉ đạt được 70-75%
• Kết cấu gọn gàng, trọng lượng nhẹ
• Không có “bàn chải” hay còn được gọi nhiều với tên chổi than nên không có sự bào mòn và tạo tia lửa điện. Do đó, động cơ DC không chổi than có tuổi thọ cao hơn so với động cơ DC có chổi than.

Nhược điểm

• Giá thành của động cơ DC không chổi than khá cao do được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu và cảm biến Hall. Đồng thời, giá thành tăng còn do sự ứng dụng mạnh mẽ và phổ biến trên thị trường.

Động cơ DC không chổi than

2.4. Động cơ DC tự kích thích

Động cơ điện một chiều DC tự kích thích sẽ bao gồm các kết nối nối tiếp, song song và hỗn hợp. Mỗi kết nối sẽ có cấu tạo và chức năng riêng để đảm bảo động cơ điện một chiều DC tự kích thích có thể hoạt động bình thường và hiệu quả.

Động cơ DC tự kích thích có các cuộn dây lĩnh vực và ứng dụng được kết nối với nhau. Đồng thời, chúng cũng có cùng một nguồn điện cung cấp và duy nhất. Các kết nối song song hoặc loạt với song song sẽ được thực hiện như Shunt vết thương trong khi phiên bản loạt là vết thương hàng loạt.

Đặc điểm:

• Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút
• Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ DC sẽ tăng tốc đến mức không thể kiểm soát được.
• Động cơ DC tự kích nối tiếp phù hợp với những ứng dụng cần mô men khởi động lớn như cần cẩu và tời…

Động cơ DC tự kích thích

3Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ DC

Để hiểu hơn về động cơ điện một chiều DC và nguyên lý hoạt động, hãy cùng tìm hiểu rõ hơn về từng bộ phận cấu tạo nên động cơ DC và các thức hoạt động của từng bộ phận.

Cấu tạo động cơ DC

Cấu tạo của động cơ DC gồm:

3.1. Stator

Stator (stato) là một bộ phận đứng yên trên động cơ với một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu/ nam châm điện với chức năng bảo vệ và hỗ trợ cho động cơ. Stato cung cấp một từ trường quay điều khiển Roto hoặc điều khiển ứng dụng và nhận nguồn cung cấp điện thông qua các thiết bị đầu cuối của nó.

Stator của động cơ DC

3.2. Trục

Trục của động cơ DC nằm chính giữa trung tâm động cơ và được các bộ phận khác bao quanh. Trục của động cơ DC thường được làm bằng các loại kim loại cứng và sẽ được các bộ phận khác bao quanh, gắn chặt.

Trục của động cơ DC

3.3. Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối sẽ có cổ góp vỏ động cơ. Các bộ phận này có thể tháo lắp dễ dàng và gắn chặt để bảo vệ, cách ly động cơ DC với môi trường bên ngoài. Một động cơ DC sẽ có hai thiết bị đầu cuối là tích cực và tiêu cực.

Khi dây dương (+) được kết nối với thiết bị đầu cuối dương (+) và dây âm (-) kết nối với thiết bị đầu cuối âm (-) thì động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Ngược lại, khi gắn trái dấu với nhau, động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ.

Các thiết bị đầu cuối cung cấp nguồn điện cho động cơ và được kết nối với bàn chải chổi than) và cánh tay bàn chải bên trong nắp lưng để động cơ có thể hoạt động bình thường và liên tục.

Thiết bị đầu cuối gắn với moto của động cơ DC

3.4. Nam châm

Nam châm sẽ bao quanh thành hình tròn với các miếng đều nhau, được Roto bao bọc xung quanh và cuộn dây quấn đều để có thể cố định. Các nam châm sử dụng trong động cơ DC là nam châm vĩnh cửu.

Khi đó, từ trường của động cơ luôn hoạt động. Hai nam châm sẽ tạo ra được mổ từ trường mạnh. Vì vậy, hai nam châm sẽ bao gồm trong động cơ DC xung quanh Roto sao cho từ trường mạnh đi qua Roto.

Nam châm vĩnh cửu trong động cơ DC

3.5. Rotor

Rotor (roto) là phần lõi chuyển động và quay liên tục được làm từ các cuộn dây và quấn lại tạo thành nam châm điện. Rotor được làm bằng nhiều đĩa, cách nhiệt với nhau bằng các tấm nhiều lớp và được sử dụng để tạo ra các cuộc cách mạng cơ học, ứng dụng rộng rãi.

Nhiều đĩa ngăn chặn việc tạo ra một dòng điện xoáy lớn. Rotor là một bộ phận rất cần thiết trong hoạt động của động cơ DC. Các đĩa của Rotor càng nhỏ thì hiệu quả động cơ sẽ càng cao.

Rotor trong động cơ DC

3.6. Cuộn dây

Cuộn đây sẽ được bao quanh, quấn lấy Roto và tạo ra một từ trường mạnh mẽ. Mỗi loại dây tạo ra một từ trường yếu khi điện đi qua nó nhưng khi kết hợp với tất cả các dây cuộn khác nhau thì sẽ tạo ra một từ trường mạnh.

Thông thường, các động cơ DC sẽ có tối thiểu ba cuộn dây để đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và nhanh nhạy vì khi động cơ có 2 cuộn dây thì dễ xảy ra kẹt và dừng động cơ. Khi nhiều cuộn dây được thêm vào Rotor, vòng quay của nó trở nên mượt mà hơn vì nhiều vòng quấn hơn.

Cuộn dây trong động cơ DC

3.7. Bàn chải

Tùy vào từng mục tiêu và nhu cầu khác nhau, có loại động cơ DC có chổi than và động cơ DC không có chổi than. Hai loại này sẽ có cách thức hoạt động khác nhau nhưng vẫn cùng một mục tiêu là tạo ra từ trường Roto và làm cho Roto quay.

Bàn chải của động cơ DC sẽ cung cấp cho các cuộn dây nguồn điện và là những mảnh kim loại hoạt động như lò xo bởi bàn chải có một vật liệu dẫn điện làm bằng carbon. Các bàn chải được kết nối trực tiếp với các thiết bị đầu cuối hoặc nguồn cung cấp điện của động cơ.

Vị trí bàn chải trong động cơ DC

3.8. Bộ chuyển đổi

Thông thường, bộ chuyển đổi của một động cơ DC được làm bằng các tấm đồng nhỏ gắn trên trục và xoay khi trục quay. Khi Rotor quay, các cực của nguồn điện cung cấp cho các cuộn dây sẽ bị thay đổi.

Mỗi cuộn dây sẽ được kết nối với hai bộ chuyển đổi, được kết nối với nhau bởi các cuộn dây và cách ly điện với nhau. Với các thiết bị có đầu cuối dương và âm được kết nối với hai tấm chuyển đổi, dòng điện dễ dàng chảy và một trường điện từ được tạo ra.

Bộ chuyển đổi của động cơ DC

Trên đây là những chia sẻ của Điện máy XANH về câu hỏi “Động cơ DC là gì?” và những kiến thức chi tiết về một động cơ điện một chiều DC. Hy vọng bài viết giúp bạn hiểu hơn về động cơ DC và những ứng dụng của nó. Nếu thấy bài viết bổ ích, đừng quên chia sẻ cho mọi người biết nữa nhé!