Động cơ DC là loại máy phổ biến được tìm thấy trong nhiều loại thiết bị điện tử được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

Thông thường, những động cơ này được triển khai trong các thiết bị yêu cầu một số dạng điều khiển quay hoặc tạo ra chuyển động.Động cơ điện một chiều là thành phần thiết yếu trong nhiều dự án kỹ thuật điện.Hiểu biết tốt về hoạt động của động cơ DC và điều chỉnh tốc độ động cơ cho phép các kỹ sư thiết kế các ứng dụng đạt được khả năng điều khiển chuyển động hiệu quả hơn.

Bài viết này sẽ xem xét kỹ hơn các loại động cơ DC hiện có, phương thức hoạt động của chúng và cách kiểm soát tốc độ.

Động cơ DC là gì?

GiốngĐộng cơ AC, Động cơ DC còn chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.Hoạt động của chúng là đảo ngược của máy phát điện một chiều tạo ra dòng điện.Không giống như động cơ AC, động cơ DC hoạt động bằng nguồn DC – nguồn điện một chiều, không hình sin.

Xây dựng cơ bản

Mặc dù động cơ DC được thiết kế theo nhiều cách khác nhau nhưng chúng đều có các bộ phận cơ bản sau:

• Rôto (bộ phận quay của máy; còn được gọi là “phần ứng”)
• Stator (cuộn dây kích từ, hoặc phần “đứng yên” của động cơ)
• Cổ góp (có thể chải hoặc không chổi than, tùy thuộc vào loại động cơ)
• Nam châm trường (cung cấp từ trường làm quay một trục nối với rôto)

Trong thực tế, động cơ DC hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường được tạo ra bởi phần ứng quay và từ trường của stato hoặc bộ phận cố định.

Bộ điều khiển động cơ không chổi than DC không cảm biến.Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép củaKenzi Mudge.

Nguyên tắc hoạt động

Động cơ DC hoạt động theo nguyên lý điện từ của Faraday, trong đó nêu rõ rằng một dây dẫn mang dòng điện chịu một lực khi đặt trong từ trường.Theo “Quy tắc bàn tay trái cho động cơ điện” của Fleming, chuyển động của dây dẫn này luôn có hướng vuông góc với dòng điện và từ trường.

Về mặt toán học, chúng ta có thể biểu thị lực này là F = BIL (trong đó F là lực, B là từ trường, I là dòng điện và L là chiều dài của dây dẫn).

Các loại động cơ DC

Động cơ DC được chia thành nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào cấu trúc của chúng.Các loại phổ biến nhất bao gồm có chổi than hoặc không chổi than, nam châm vĩnh cửu, nối tiếp và song song.

Động cơ có chổi than và không chổi than

Một động cơ DC chảisử dụng một cặp chổi than chì hoặc cacbon dùng để dẫn hoặc cung cấp dòng điện từ phần ứng.Những bàn chải này thường được giữ gần với cổ góp.Các chức năng hữu ích khác của chổi than trong động cơ DC bao gồm đảm bảo hoạt động không phát ra tia lửa điện, điều khiển hướng dòng điện trong quá trình quay và giữ cho cổ góp sạch sẽ.

Động cơ DC không chổi thankhông chứa chổi than hoặc than chì.Chúng thường chứa một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu quay xung quanh một phần ứng cố định.Thay cho chổi than, động cơ DC không chổi than sử dụng các mạch điện tử để điều khiển hướng quay và tốc độ.

Động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu bao gồm một rôto được bao quanh bởi hai nam châm vĩnh cửu đối diện.Các nam châm cung cấp từ thông khi dòng điện một chiều chạy qua, làm cho rôto quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, tùy thuộc vào cực tính.Lợi ích chính của loại động cơ này là nó có thể hoạt động ở tốc độ đồng bộ với tần số không đổi, cho phép điều chỉnh tốc độ tối ưu.

Động cơ DC dây quấn nối tiếp

Động cơ nối tiếp có cuộn dây stato (thường làm bằng thanh đồng) và cuộn dây kích từ (cuộn dây đồng) mắc nối tiếp.Do đó, dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ bằng nhau.Dòng điện cao chạy trực tiếp từ nguồn cung cấp vào cuộn dây kích từ dày hơn và ít hơn so với động cơ shunt.Độ dày của cuộn dây từ trường làm tăng khả năng chịu tải của động cơ và cũng tạo ra từ trường mạnh mang lại cho động cơ DC nối tiếp mô-men xoắn rất cao.

Động cơ DC Shunt

Động cơ DC song song có phần ứng và cuộn dây kích từ được mắc song song.Nhờ kết nối song song, cả hai cuộn dây đều nhận được cùng một điện áp nguồn mặc dù chúng được kích thích riêng biệt.Động cơ Shunt thường có nhiều vòng quay hơn động cơ nối tiếp tạo ra từ trường mạnh trong quá trình hoạt động.Động cơ Shunt có thể có khả năng điều chỉnh tốc độ tuyệt vời, ngay cả với các mức tải khác nhau.Tuy nhiên, chúng thường thiếu mô-men xoắn khởi động cao của động cơ nối tiếp.

Mạch điều khiển động cơ và tốc độ được lắp đặt trong máy khoan mini.Hình ảnh được sử dụng với sự cho phép củaDilshan R. Jayakody

Kiểm soát tốc độ động cơ DC

Có ba cách chính để đạt được sự điều chỉnh tốc độ trong động cơ DC nối tiếp – điều khiển từ thông, điều khiển điện áp và điều khiển điện trở phần ứng.

1. Phương pháp kiểm soát thông lượng

Trong phương pháp điều khiển từ thông, một biến trở (một loại điện trở thay đổi) được mắc nối tiếp với cuộn dây kích từ.Mục đích của thành phần này là tăng điện trở nối tiếp trong cuộn dây, điều này sẽ làm giảm từ thông, do đó làm tăng tốc độ của động cơ.

2. Phương pháp điều chỉnh điện áp

Phương pháp điều chỉnh biến thiên thường được sử dụng trong động cơ một chiều song song.Một lần nữa, có hai cách để đạt được điều khiển điều chỉnh điện áp:

• Kết nối trường shunt với điện áp kích thích cố định trong khi cung cấp cho phần ứng các điện áp khác nhau (còn gọi là điều khiển nhiều điện áp)
• Thay đổi điện áp cung cấp cho phần ứng (hay còn gọi là phương pháp Ward Leonard)

3. Phương pháp kiểm soát điện trở phần ứng

Việc điều khiển điện trở phần ứng dựa trên nguyên tắc tốc độ của động cơ tỷ lệ thuận với EMF phía sau.Vì vậy, nếu điện áp nguồn và điện trở phần ứng được giữ ở một giá trị không đổi thì tốc độ của động cơ sẽ tỉ lệ thuận với dòng điện phần ứng.