Nguyên lý hoạt động và cấu tạo motor điện (động cơ điện)

I. Động cơ điện là gì :

Động cơ điện là một bộ truyền động liên tục, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Động cơ điện đạt được điều này bằng cách tạo ra một góc quay liên tục, có thể được sử dụng để quay bơm, quạt, máy nén, bánh xe, v.v.

Về cơ bản có hai loại động cơ điện thường gặp:

1. Động cơ điện xoay chiều AC
2. Động cơ điện một chiều DC

Ngoài ra có nhiều loại động cơ khác được chế tạo trên nguyên lý hoạt động của 2 loại động cơ DC và AC này:

• Động cơ bước
• Động cơ điện một chiều kích thích bởi nam châm vĩnh cửu
• Động cơ điện một chiều kích thích bởi dòng điện
• Động cơ điện xoay chiều 1 pha không đồng bộ và đồng bộ
• Động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ và đồng bộ
• Động cơ tuyến tính
• Động cơ giảm tốc
• Động cơ rung
• Động cơ Servo
• v.v…..

Trong khuôn khổ bài viết này ta chỉ đề cập đến:

• Động cơ điện một chiều kích thích bởi nam châm vĩnh cửu
• Động cơ điện một chiều kích thích bởi dòng điện
• Động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ
• Cách điều khiển tốc độ quay (quay nhanh, quay chậm)
• Điều khiển đảo chiều quay của động cơ (quay thuận chiều kim đồng hồ và xoay ngược chiều kim đồng hồ) 

1. Động cơ điện một chiều DC cơ bản

Là bộ truyền động được sử dụng phổ biến để tạo ra chuyển động liên tục và có thể dễ dàng điều khiển tốc độ quay, khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng là điều khiển tốc độ, điều khiển loại servo hoặc định vị là phải bắt buộc dùng nó.

Một động cơ DC bao gồm hai bộ phận cơ bản:

1. Stator là một bộ phận đứng yên, có thể được gắn với nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
2. Rotor là bộ phận quay gồm một hoặc nhiều cuộn dây điện, được kết nối với cánh quạt, bơm, bánh xe, v.v.. thông qua trục rotor
3. Ngoài ra còn một bộ phận khá là quang trọng đối với động cơ điện DC đó là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay tròn của rotor là liên tục, bộ phận này gồm chổi than và đế than tiếp xúc với cổ góp của rotor.

Trong xe nâng điện có 2 loại động cơ DC:

• Động cơ điện một chiều kích thích bởi nam châm vĩnh cửu, có công suất nhỏ thường sử dụng cho bộ phận trợ lực lái.
• Động cơ điện một chiều kích thích bởi dòng điện, có công suất lớn dùng làm động cơ chạy và động cơ nâng hạ.

Nguyên lý và cấu tạo cơ bản của động cơ DC được thể hiện ở video dưới:

2. Điều khiển tốc độ quay của động cơ điện một chiều DC (motor DC)

Để thay đổi tốc độ quay nhanh hay chậm của motor DC bằng cách:

• Thông qua hộp số (bộ điều tốc)
• Tăng hoặc giảm số cặp cực trên rotor
• Thay đổi điện áp đầu vào cung cấp cho motor, đây là phương pháp được áp dụng phổ biến nhất hiện nay.

2.1. Điều khiển tốc độ quay bằng phương pháp thay đổi điện áp đầu vào

Khi nguồn điện 1 chiều DC cung cấp ổn định, để thay đổi tốc độ quay motor DC bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào nó thì có nhiều cách.

• Dùng điện trở R mắc nối tiếp với motor, giá trị điện trở càng lớn sẽ làm cho hiệu điện thế đặt vào motor càng giảm, do đó tốc độ quay của motor giảm theo. Giá trị R=0 lúc đó motor có tốc độ quay cao nhất.
• Dùng cuộn dây L mắc nối tiếp với motor, phương pháp này không có hiệu quả về kinh tế, thông thường cuộn L này kết hợp với tụ điện dùng để chống nhiểu xung cho motor DC có công suất nhỏ.
• Dùng 2 motor DC mắ nối tiếp nhau, tăng tải cho motor A sẽ làm cho motor B quay nhanh hơn và ngược lại, phương pháp này cũng không thấy áp dụng ngoài thực tế nhiều vì nó khá phức tạp.
• Hiện nay có một phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ quay của motor DC đó là phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation)

2.2 Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) hay còn gọi là kỹ thuật điều chế độ rộng xung

Phương pháp điều xung PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra ở tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ở ngỏ ra.

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương (hay sườn âm).