Động cơ điện – Cấu tạo và ứng dụng động cơ điện

Động cơ điện là một trong những thiết bị điện có ứng dụng khá rộng trong sản xuất và đời sống từ trong trong  nhà đến hoạt động sản xuất công nghiệp. Bạn đang cần một động cơ bơm nước cở lớn, vận hành băng tải hay cần thêm motor điện cho hệ thống sản xuất? Động cơ điện của chúng tôi đáp ứng tất cả các nhu cầu mà bạn đang cần. Bài viết sau, dean2020.edu.vn giới thiệu đến các bạn chi tiết liên quan đến động cơ điện.

Động cơ điện là gì?

Động cơ điện hay còn gọi là motor điện là một loại máy chuyển đổi điện năng thành cơ năng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và tác dụng của từ trường quay, hoạt động nhờ dòng điện 1 pha hoặc 3 pha. Hoạt động nhờ vào việc cuộn cảm và nam châm sinh ra từ trường làm xoay trục truyền động tạo ra moment xoắn. Từ đó, trục truyền động được gắn với các thiết bị như cánh quạt hoặc ổ trục ròng rọc để máy móc hoạt động.

Thông thường, đối với các động cơ điện cở nhỏ để sử dụng trong đời sống sinh hoạt như máy quạt, motor trong xe điều khiển trẻ em sẽ dùng nam châm vĩnh cửu. Các động cơ điện dùng cho dây chuyền sản xuất hoặc cần sinh ra moment lớn thì dùng nam châm điện. Ngoài ra, động cơ điện còn có loại động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Động cơ điện gồm 2 loại: động cơ một chiều và động cơ xoay chiều.

Động cơ điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều gồm 3 phần chính: Stator, Rotor và bộ chỉnh lưu(chổi than)

• Stator: là phần đứng yên không chuyển động của động cơ, thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu bao quanh.
• Rotor: là phần chuyển động của động cơ, gồm 1 cuộn dây quấn nối với dòng điện 1 chiều
• Chổi than: đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục.

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ có lực từ tác dụng lên cuộn dây và cuộn dây bắt đầu quay. Bộ chỉnh lưu sẽ đổi chiều dòng điện sau nửa vòng quay. Kết quả là phần bên trái cuộn dây thì dòng điện luôn đi ra phía sau còn phần bên phải cuộn dây thì dòng điện luôn đi ra phía trước. Điều này đảm bảo rằng moment lực tạo ra luôn hướng về một chiều quay. Do đó, cuộn dây có thể liên tục quay theo một chiều.

Khi mặt phẳng khung dây vuông góc với các đường sức từ thì moment lực gần như là bằng không. Điều này là nguyên nhân rotor quay không đều và đó là điều mà chúng ta không mong muốn. Có một cách rất hay để khắc phục điều này là đặt thêm 1 cuộn dây tương tự vuông góc với cuộn dây ban đầu. Khi đó, nếu cặp dây thứ nhất ở vị trí moment lực gần bằng không, thì vòng dây thứ 2 lại ở vị trí có moment lực lớn nhất và chuyển động sẽ quay đều hơn.

Để quay đều hơn nữa, ta tiếp tục thêm nhiều cuộn dây xen kẽ liên tiếp. Trong thực tế, phần rotor còn được gắn thêm lõi sắt xen vào các vòng dây và trục quay để tăng cường lực từ. Chổi than liên tục tiếp xúc với cổ góp nhờ một lò xo bên trong để duy trì dòng điện lần lượt qua các cuộn dây.

Các cuộn dây trên stator và rotor có thể được nối với nhau theo 2 cách: song song và nối tiếp. Nếu mắc nối tiếp thì moment khởi động lớn nhưng tốc độ quay của động cơ giảm nhanh khi tải động cơ tăng. Mắc song song thì moment khởi động nhỏ hơn nhưng nó có khả năng chạy với tốc độ gần như không đổi, đối với mắc song song thì tốc độ quay dường như không phụ thuộc vào tải trọng động cơ. Nam chân vĩnh cửu gắn trên stator chỉ được dùng với các động cơ nhỏ. Đối với động cơ lớn, cần tạo ra từ trường mạnh, phần này được làm bằng nam châm điện với dòng điện một chiều.

Động cơ điện xoay chiều

Còn được gọi là động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo và nguyên lý làm việc khá tương tự như loại động cơ 1 chiều.

Cấu tạo

Tùy theo loại vỏ bọc kín hoặc hở và tùy theo hệ thống làm mát bằng cánh quạt đặt bên trong hay bên ngoài động cơ, nhìn chung động cơ xoay chiều gồm 2 phần chính

Stator: là phần cảm gồm 3 cuộn dây giống hệt nhau và đặt lệch nhau 120 độ trên một vành tròn. Có 2 bộ phận chính là lỏi thép và dây quấn. Lỏi thép có hình trụ đặc là bộ phận dẩn từ được làm bằng các lá thép kỷ thuật điện có độ dày từ 0.35 đến 0.5mm dọc theo hình vành khăn phía trong có rãnh để đặt các thanh dẫn hoặc dây quấn trước khi khép lại. Dây quấn stator làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm đặt trong các rãnh của lỏi thép. Ngoài 2 bộ phận chính trên còn có các bộ phận phụ là vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang dùng để giử chặt lỏi thép. Phía dưới là chân đế để bắt chặt máy cô định. Trong máy có bộ đở hay còn gọi là bạt dùng để đở trục quay của rotor.

Rotor: là phần quay nối chuyển động quay từ stator ra ngoài để thực hiện công cơ học tạo ra cấu tạo rất đặc biệt còn được gọi là rotor lồng sóc. Gồm có 3 phần: lỏi thép rotor, dây quấn và trục máy. Lỏi thép được ghép chặt với trục quay và đặt trên 2 ổ đở của stator. Dây quấn trên rotor có 2 loại là rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Đối với rotor dây quấn có dây quấn giống như stator, loại này có ưu điểm là moment quay lớn nhưng kết cấu phức tạp, giá thành tương đối cao. Kết cấu của rotor lồng sóc rất khác với dây quấn của stator, nó được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của rotor tạo thành các thanh nhôm, được nối ngắn mạch ở hai đầu và có đúc thêm các cánh quạt để làm mát bên trong khi rotor quay. Phần dây quấn được tạo thành từ các thanh nhôm và có 2 vòng ngắn mạch hình dạng như một cái lồng nên gọi là rotor lồng sóc. Các đường rãnh trên rotor thông thường được dập xiên với trục nhằm cải thiện đặc tính máy và giảm bớt hiện tượng rung do lực điện từ.

Nguyên lý làm việc

Dòng điện xoay chiều 3 pha cấp cho động cơ điện 3 pha gồm có 4 dây, trong đó có 1 dây trung tính và 3 dây pha. Khi ta cung cấp nguồn điện xoay chiều 3 pha cho 3 cuộc dây, theo định luật cảm ứng điện từ thì dòng điện xoay chiều 3 pha sẽ tạo ra một từ trường quay tại tâm stator và từ trường quay này sẽ tác dụng lực từ lên rotor làm rotor quay trong từ trường. Khi đó, chuyển động quay của rotor được nối ra ngoài để làm quay các thiết bị.

Cụ thể là, trong quá trình quay, từ trường sẽ quét qua các  thanh dẫn của rotor làm xuất hiện suất điện động cảm ứng. Vì dây dẫn rotor là kín mạch nên suất điện động này tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn của rotor. Các thanh dẫn nằm trong từ trường nên sẽ tương tác với nhau tạo ra lực điện từ. Các thanh dẫn này nằm trên lỏi thép sẽ truyền động qua lỏi thép đến trục quay tạo ra moment, trục quay truyền động ra máy móc bên ngoài làm máy móc hoạt động được. Hướng quay của rotor dựa theo nguyên tắc bàn tay phải. Động cơ 3 pha thường được dùng cho các thiết bị lớn, công suất lớn.

Lưu ý, tốc độ quay của rotor luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường. Cũng như các loại máy móc khác, động cơ điện khi hoạt động cũng có công suất tỏa nhiệt còn gọi là công suất hao phí. Công suất hao phí này làm cho các cuộn dây tỏa nhiệt ra bên ngoài. Vậy, công suất mà chúng ta nhận được đưa vào sản xuất sẽ = Công cung cấp – Công suất hao phí.

Ứng dụng

Động cơ điện ngày nay được ứng dụng trong hầu tết các máy móc sản xuất và cuộc sống thường ngày.

Hệ thống bơm, máy bơm nước

Trục quay của rotor được gắn vào cánh quạt hút nước bơm cho cả hệ thống được ứng dụng cho sinh hoạt hằng ngày, hệ thống tưới tiêu nông nghiệp. Hệ thống bơm cao áp thường được lắp đặt thêm cửa gió để tăng áp được ứng dụng vào hệ thống bơm công nghiệp, phòng cháy chữa cháy. Máy bơm là ứng dụng hàng đầu được biết đến của motor điện.

Hệ thống thông gió, máy quạt, quạt hút

Trong các tòa nhà, nhà xưởng, trường học, bệnh viện thì tất cả đều phải có hệ thống thông gió cung cấp không khí cho công việc và sinh hoạt. Tương tự như máy bơm, motor hút gió từ ngoài vào sau khi qua bộ lọc gió, không khí được đưa đến khắp nơi trong tòa nhà. Sau đó, có 1 động cơ điện được đặt để làm quạt hút lại hút không khí ra ngoài. Việc đối lưu không khí làm cho nơi làm việc, sinh hoạt trở nên thông thoáng. Vừa mát mẻ, có đủ không khí để sử dụng, vừa chống ẩm thấp ngăn ngừa dịch bệnh, vi khuẩn.

Băng tải

Một trong những ứng dụng tuyệt vời của động cơ điện, trục quay của rotor sẽ được gắn vào một bộ truyền động hay thông thường còn được gọi là nhông, sên, dĩa. Bộ truyền động này sẽ truyền moment từ trục quay của động cơ đến trục quay và ổ trục của băng tải, giúp cho việc vận chuyển hàng hóa trở nên dễ dàng. Vừa nhanh chóng vừa không phải tốn nhiều công bưng vác hàng hóa và các thiết bị.

Cẩu trục, di chuyển hàng hóa

Động cơ dùng cho cầu trục là loại có công suất lớn để vận chuyển hàng hóa nặng, thường được dùng chung với máy biến tần để đạt độ chính xác khi bốc xếp hàng. Có thể dùng 1 bộ phanh cơ đặt phía sau đuôi động cơ điện để dừng động cơ đúng lúc.

Ngoài ra, ngày nay người ta còn ứng dụng vào trong các phần của máy tính, xe điện, xe chuyên chở hàng hóa trong khu công nghiệp và hàng ngàn ứng dụng của động cơ điện trong đời sống và sản xuất nữa. Trong bối cảnh tương lai sẽ giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thành thì động cơ điện tuy không mới nhưng là xu hướng trong tương lai.