Động cơ DC chổi than hoạt động như thế nào: Các bộ phận, nguyên lý và công dụng

A động cơ DC chải chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động quay cơ học bằng cách truyền dòng điện một chiều qua một cuộn dây quay bên trong từ trường - sự tương tác giữa lực điện từ và từ trường cố định tạo ra mô-men xoắn làm quay trục. "Bàn chải" trong tên của nó dùng để chỉ các tiếp điểm carbon hoặc than chì duy trì kết nối điện với cuộn dây quay thông qua một cổ góp, liên tục chuyển hướng dòng điện để duy trì chuyển động quay. Động cơ điện DC chải là một trong những loại động cơ lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong lịch sử, cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ bàn chải đánh răng điện và dụng cụ điện cho đến các phụ kiện ô tô và bộ truyền động công nghiệp.

Các thành phần cốt lõi của động cơ điện DC chổi than

Mỗi động cơ DC có chổi than — bất kể kích thước hoặc ứng dụng — đều chứa các bộ phận cơ bản giống nhau hoạt động cùng nhau. Hiểu từng thành phần sẽ làm rõ lý do tại sao động cơ hoạt động như vậy trong các điều kiện vận hành khác nhau.

Stator (Nam châm trường)

Stator là vỏ ngoài cố định của động cơ. Nó chứa nam châm vĩnh cửu (trong động cơ nhỏ) hoặc cuộn dây từ trường vết thương (trong động cơ lớn hơn) tạo ra một từ trường cố định mà rôto quay qua đó. Stator nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong động cơ có công suất lên đến khoảng 2 kW ; stator trường dây quấn xuất hiện trong các động cơ có công suất từ ​​nhỏ đến hàng trăm kilowatt, nơi cường độ trường phải được điều chỉnh.

Rotor (Phần ứng)

Rôto - còn được gọi là phần ứng - là bộ phận quay. Nó bao gồm một lõi sắt nhiều lớp được quấn với nhiều cuộn dây đồng. Cán màng làm giảm tổn thất dòng điện xoáy lên đến 60–70% so với lõi sắt đặc. Các cuộn dây được kết nối với các đoạn cổ góp theo các khoảng thời gian cụ thể được xác định bởi sơ đồ cuộn dây. Khi dòng điện đi qua cuộn dây phần ứng, cuộn dây trở thành nam châm điện phản ứng với từ trường stato, tạo ra lực quay.

cổ góp

Cổ góp là một cụm hình trụ gồm các đoạn đồng được gắn trên trục rôto và cách điện với nhau bằng các dải mica. Mỗi đoạn kết nối với một cuộn dây phần ứng cụ thể. Khi rôto quay, các đoạn khác nhau tiếp xúc với chổi than, tự động đảo chiều dòng điện qua cuộn dây hoạt động - một quá trình được gọi là chuyển mạch. Nếu không chuyển mạch, rôto sẽ ngừng hoạt động sau nửa vòng quay khi lực từ đảo ngược hướng. Một cổ góp động cơ nhỏ điển hình có 3 đến 12 phân đoạn ; động cơ công nghiệp lớn có thể có hơn 100.

Bàn chải

Bàn chải are stationary conductive blocks — usually made from carbon, graphite, or a carbon-copper composite — that press against the commutator surface with controlled spring force (typically Áp suất tiếp xúc 15–30 kPa ). Chúng mang dòng điện từ mạch ngoài vào cổ góp quay. Carbon là vật liệu được ưa chuộng vì nó có khả năng tự bôi trơn, dẫn điện và đủ mềm để mài mòn trước khi làm hỏng bề mặt cổ góp. Tuổi thọ của chổi dao động từ 500 giờ ở động cơ dòng điện cao đến hơn 5.000 giờ trong các ứng dụng được tải nhẹ.

Vòng bi và chuông kết thúc

Trục rôto được đỡ ở mỗi đầu bằng ổ bi hoặc ổ bi đặt trong chuông cuối (nắp cuối). Những thứ này duy trì khoảng cách không khí chính xác - thường 0,5 mm đến 2 mm - giữa rôto và stato rất quan trọng đối với hiệu suất từ tính. Khe hở không khí phải đồng đều; một sự thay đổi thậm chí 0,1mm có thể gây ra rung động, mô-men xoắn không đều và mài mòn sớm.

Động cơ DC có chổi than hoạt động như thế nào: Từng bước

Trình tự hoạt động của động cơ điện một chiều không chổi than tuân theo nguyên lý điện từ được Michael Faraday và André-Marie Ampère phát hiện vào đầu thế kỷ 19. Đây chính xác là những gì xảy ra từ khi bật nguồn đến khi xoay ổn định:

1. Điện áp DC được áp dụng đến các thiết bị đầu cuối của bàn chải. Dòng điện chạy từ chổi than dương, qua đoạn cổ góp tiếp xúc với nó, vào cuộn dây phần ứng và quay trở lại qua chổi than âm.
2. Cuộn dây mang dòng điện tạo ra một từ trường xung quanh nó theo quy tắc bàn tay phải - cuộn dây trở thành một nam châm điện có cực bắc và cực nam.
3. Lực Lorentz tác dụng lên cuộn dây - sự tương tác giữa từ trường của phần ứng và từ trường cố định của stato tạo ra một lực (F = BIL, trong đó B là cường độ trường, I là dòng điện và L là chiều dài dây dẫn) đẩy cuộn dây sang một bên, tạo ra mô-men xoắn.
4. Rôto bắt đầu quay khi lực làm nó hướng tới sự thẳng hàng từ tính. Nếu dòng điện không đổi hướng thì chuyển động quay sẽ dừng ở vị trí thẳng hàng.
5. Cổ góp chuyển đổi dòng điện - ngay khi cuộn dây đạt đến độ thẳng hàng (điểm mô-men xoắn bằng 0), chổi than đi từ đoạn cổ góp này sang đoạn cổ góp tiếp theo, đảo ngược hướng dòng điện trong cuộn dây. Các cực của cuộn dây bị lật và chu kỳ lực đẩy-hút bắt đầu lại.
6. Vòng quay liên tục được duy trì bởi vì cổ góp giữ dòng điện đảo chiều trong mỗi cuộn dây khi nó đi qua vị trí trung tính, đảm bảo mô-men xoắn luôn tác dụng theo cùng một hướng quay.

Với nhiều cuộn dây phần ứng – một động cơ thông thường có từ 9 đến 24 cuộn dây – độ gợn của mô-men xoắn được giảm thiểu, tạo ra đầu ra mượt mà, gần như không đổi. Càng có nhiều cuộn dây, đường cong mô-men xoắn càng mượt mà.

Back-EMF: Bộ điều chỉnh tốc độ tích hợp của động cơ

Khi phần ứng quay trong từ trường, nó hoạt động đồng thời như một máy phát điện - các cuộn dây quay cắt qua các đường sức từ và tạo ra một điện áp chống lại điện áp cung cấp đặt vào. Điều này được gọi là lực điện động ngược (back-EMF) và nó là trọng tâm để hiểu hành vi của động cơ DC chổi than.

Phương trình điều khiển là: V = E_back I × R , trong đó V là điện áp nguồn, E_back là EMF ngược, I là dòng điện phần ứng và R là điện trở phần ứng. Khi khởi động, EMF ngược bằng 0, do đó dòng điện - và do đó mô-men xoắn - ở mức tối đa. Một động cơ 12V có điện trở phần ứng 1Ω rút ra 12 ampe khi khởi động . Khi tốc độ tăng, EMF ngược tăng và hạn chế dòng điện. Ở tốc độ ổn định không tải, EMF ngược gần bằng điện áp nguồn và dòng điện giảm xuống vừa đủ để khắc phục tổn thất ma sát.

Hành vi tự điều chỉnh này có nghĩa là nếu tải tăng và động cơ chậm lại, EMF ngược giảm xuống, dòng điện tự động tăng và mô-men xoắn tăng để bù lại - tất cả đều không có bất kỳ mạch điều khiển bên ngoài nào. Đây là một trong những ưu điểm thiết thực nhất của động cơ DC chổi than.

Các loại động cơ DC chổi than và chúng khác nhau như thế nào

Động cơ điện DC có chổi than được phân loại theo cách kết nối cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) với phần ứng. Mỗi cấu hình tạo ra mối quan hệ tốc độ-mô-men xoắn khác nhau rõ rệt.

Động cơ dây quấn nối tiếp: Mô-men xoắn khởi động tối đa

Trong động cơ DC chải dây quấn nối tiếp, cuộn dây kích từ mang toàn bộ dòng điện phần ứng. Khi khởi động, cả cường độ trường và dòng điện phần ứng đều đạt mức tối đa đồng thời, tạo ra mô-men xoắn khởi động cao gấp 3 đến 5 lần hơn mô-men xoắn định mức. Đây là lý do tại sao các đầu máy xe lửa và xe điện chạy bằng động cơ hàng loạt chạy bằng động cơ diesel. Mối nguy hiểm nghiêm trọng: trong điều kiện không tải, dòng điện từ trường giảm xuống và động cơ có thể tăng tốc đến tốc độ hủy diệt - động cơ dây quấn nối tiếp phải luôn hoạt động dưới tải.

Động cơ vết thương Shunt: Tốc độ gần như không đổi

Trong động cơ quấn song song, cuộn dây kích từ được nối trực tiếp qua điện áp nguồn và tạo ra dòng điện không đổi bất kể tải phần ứng. Cường độ trường gần như cố định nên tốc độ gần như không đổi từ không tải đến đầy tải - thường thay đổi ít hơn 5–10% trên phạm vi hoạt động. Điều này làm cho động cơ shunt trở nên lý tưởng cho các máy công cụ nơi tốc độ trục chính phải duy trì ổn định.

Phương pháp kiểm soát tốc độ cho động cơ DC chổi than

Một trong những ưu điểm thực tế quan trọng nhất của động cơ DC chổi than là tốc độ của chúng có thể được kiểm soát dễ dàng như thế nào. Không giống như động cơ cảm ứng xoay chiều yêu cầu bộ truyền động tần số thay đổi, động cơ chổi than DC phản ứng với thao tác đơn giản về điện áp và dòng điện.

Điều khiển điện áp (PWM)

Điều chế độ rộng xung (PWM) là phương pháp kiểm soát tốc độ hiệu quả nhất. Bộ điều khiển PLC nhanh chóng bật và tắt điện áp nguồn - ở tần số thường nằm trong khoảng 1 kHz và 20 kHz - thay đổi chu kỳ làm việc để điều chỉnh điện áp trung bình cung cấp cho động cơ. Ở chu kỳ hoạt động 50%, điện áp trung bình bằng một nửa nguồn cung cấp; ở mức 75%, ba phần tư. Độ tự cảm của động cơ làm mịn dòng xung thành dòng gần như liên tục. Bộ điều khiểnPWM đạt được Hiệu suất 90–97% , so với 60–80% đối với các bộ chia điện áp điện trở.

Kiểm soát điện trở phần ứng

Việc thêm điện trở nối tiếp với phần ứng sẽ làm giảm điện áp trên nó, làm giảm tốc độ. Phương pháp này đơn giản và rẻ tiền nhưng lãng phí năng lượng dưới dạng nhiệt truyền qua điện trở - hiệu suất giảm tỷ lệ thuận với việc giảm tốc độ. Nó chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng chi phí thấp, hoạt động không liên tục, trong đó việc kiểm soát tốc độ tốt là không cần thiết.

Trường suy yếu (Trên tốc độ cơ bản)

Trong động cơ từ trường vết thương, việc giảm dòng điện từ trường sẽ làm suy yếu từ trường của stato. Với ít sự phản đối hơn từ EMF phía sau, động cơ tăng tốc vượt quá tốc độ cơ bản định mức của nó — một kỹ thuật được gọi là làm suy yếu trường. Tốc độ tăng của Tốc độ cơ bản 2× đến 4× có thể đạt được, mặc dù mô-men xoắn giảm tỷ lệ thuận. Điều này thường được sử dụng trong các bộ truyền động công nghiệp yêu cầu phạm vi tốc độ rộng ở công suất đầu ra không đổi.

Cầu H để điều khiển đảo ngược

Đảo chiều động cơ DC có chổi than chỉ cần đảo chiều dòng điện qua phần ứng. Mạch cầu H – bốn bóng bán dẫn chuyển mạch được sắp xếp theo cấu hình H – thực hiện việc này bằng điện tử. Kết hợp với xung điện, cầu H cung cấp kiểm soát bốn góc phần tư đầy đủ : dẫn động tiến, dẫn động lùi, phanh tái tạo và phanh động. IC cầu H như L298N hoặc DRV8833 là các thành phần tiêu chuẩn trong robot và hệ thống nhúng.

Đặc tính hiệu suất: Mô-men xoắn, tốc độ và hiệu quả

Đường cong tốc độ-mô-men xoắn của động cơ DC có chổi than là một trong những đặc tính thực tế quan trọng nhất của nó. Đối với động cơ DC nam châm vĩnh cửu, mối quan hệ này là tuyến tính và có thể dự đoán được:

• Tốc độ không tải (ω₀): Tốc độ tối đa khi trục đầu ra không mang tải; EMF phía sau gần bằng điện áp cung cấp; hiện tại là tối thiểu
• Mô-men xoắn dừng (T_stall): Mô-men xoắn cực đại ở tốc độ bằng 0; xảy ra khi trục được giữ cố định; dòng điện bằng V/R (tối đa có thể); có thể Mô-men xoắn liên tục định mức 5–10×
• Điểm hoạt động định mức: Tốc độ và mô-men xoắn do nhà sản xuất quy định ở đó hiệu suất được tối ưu hóa, thường ở 70–80% tốc độ không tải
• Hiệu suất cao nhất: Động cơ DC có chổi than thường đạt được Hiệu suất 75–85% tại điểm vận hành định mức của chúng; các loại nam châm vĩnh cửu hoạt động ở cấp độ cao hơn

Một ví dụ cụ thể: động cơ 24V PMDC có công suất 100W với tốc độ không tải 3.000 vòng/phút và mô-men xoắn dừng 0,5 Nm mang lại công suất cực đại ở khoảng 1.500 vòng/phút và 0,25 Nm, ước tính khoảng 4,2 ampe với hiệu suất 80% .

Ngày nay, động cơ DC chổi than được sử dụng ở đâu

Bất chấp sự cạnh tranh từ động cơ cảm ứng DC và AC không chổi than, động cơ điện DC có chổi than vẫn chiếm ưu thế trong các ứng dụng mà tính đơn giản, chi phí thấp hoặc mô-men xoắn khởi động cao vượt trội hơn các nhược điểm về bảo trì. Thị trường động cơ DC có chổi than toàn cầu được định giá xấp xỉ 12 tỷ USD vào năm 2023 và tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp.

Ứng dụng ô tô

• Động cơ khởi động: chổi than nối tiếp Động cơ DC cung cấp mô-men xoắn dừng của 100–300 Nm làm quay động cơ đốt trong
• Bộ điều chỉnh cửa sổ, bộ điều chỉnh ghế, động cơ gương: Động cơ PMDC điện áp thấp (12V, 10–30W)
• Động cơ gạt nước kính chắn gió: cuộn dây song song cho tốc độ gần như không đổi khi tải lưỡi gạt khác nhau
• Động cơ quạt HVAC: thường là 12V PMDC, 50–150W, có điều khiển tốc độ bằng điện trở

Dụng cụ điện và sản phẩm tiêu dùng

• Máy khoan và tua vít không dây: Sản xuất động cơ PMDC 12–20V Mô-men xoắn 30–80 Nm tại mâm cặp thông qua hộp giảm tốc
• Máy mài góc và máy cưa đĩa: động cơ vạn năng (một dạng động cơ DC quấn nối tiếp cũng chạy bằng điện xoay chiều) ở 5.000–10.000 vòng/phút
• Máy hút bụi: động cơ đa năng tốc độ 15.000–30.000 vòng/phút cho công suất hút cao từ gói hàng nhỏ
• Bàn chải đánh răng và máy cạo râu điện: động cơ PMDC thu nhỏ dưới 1W hoạt động ở mức 3–6V

Ứng dụng công nghiệp và robot

• Bộ truyền động băng tải và thiết bị truyền động cần điều khiển bằng xung điện và đảo chiều đơn giản
• Khớp robot trong nền tảng giáo dục và trình độ cơ bản nơi chi phí và khả năng kiểm soát quan trọng hơn hiệu quả
• Hệ thống servo với phản hồi bộ mã hóa để điều khiển vị trí chính xác trong các thiết bị CNC và y tế
• Bộ truyền động máy cán và tời cẩu nơi động cơ dây quấn nối tiếp cung cấp mô-men xoắn khởi động lớn

Động cơ DC có chổi than và Động cơ DC không chổi than: Sự khác biệt chính

Động cơ DC không chổi than (BLDC) sử dụng chuyển mạch điện tử thông qua bộ điều khiển thay vì chổi than và cổ góp vật lý. Cả hai loại động cơ đều được cấp nguồn bằng DC và có chung nguyên lý điện từ, nhưng sự cân bằng thực tế của chúng khác nhau đáng kể.

Phán quyết: chọn động cơ DC có chổi than khi chi phí trả trước thấp, điều khiển đơn giản và mô-men xoắn khởi động cao là những ưu tiên. Chọn BLDC khi ứng dụng yêu cầu tuổi thọ dài, hiệu suất cao hoặc hoạt động trong môi trường kín, nhạy cảm với tia lửa.

Các chế độ lỗi thường gặp và cách kéo dài tuổi thọ động cơ DC của chổi than

Hiểu được các chế độ lỗi giúp các kỹ sư và kỹ thuật viên ngăn chặn thời gian ngừng hoạt động tốn kém. Động cơ điện DC có chổi than có các kiểu hao mòn được ghi chép rõ ràng, có thể dự đoán và quản lý được bằng cách bảo trì thích hợp.

Bàn chải mòn

Bàn chải wear at a rate of approximately 0,01–0,05mm mỗi giờ hoạt động tùy thuộc vào mật độ dòng điện, tốc độ và áp suất lò xo. Khi chổi than mòn dưới chiều dài tối thiểu (thường bằng 25–30% chiều dài ban đầu), áp suất tiếp xúc giảm, hồ quang tăng và hư hỏng cổ góp tăng lên. Kiểm tra chổi than ở mỗi khoảng thời gian bảo trì theo lịch trình và thay thế chúng trước khi chúng đạt đến độ dài tối thiểu — việc thay chổi than chỉ tốn một phần nhỏ so với việc thay thế cổ góp bị hỏng.

cổ góp Damage

Hồ quang quá mức - do chổi mòn, nhiễm bẩn hoặc quá dòng - làm xói mòn đồng cổ góp và tạo thành các vết lõm trên bề mặt. Cổ góp bị rỗ làm tăng độ rung, gây mòn chổi than không đều và giảm hiệu suất. Rỗ nhỏ có thể được khắc phục bằng cách gia công cổ góp trên máy tiện và cắt lớp cách nhiệt mica xuống 0,5–1,0mm bên dưới bề mặt đồng. Hư hỏng nghiêm trọng cần phải thay thế cổ góp hoặc quấn lại động cơ.

Lỗi cuộn dây phần ứng

Quá nhiệt do quá dòng kéo dài (hoạt động trên dòng định mức trong thời gian dài) làm suy giảm cách điện của cuộn dây. Lớp cách nhiệt loại B (tiêu chuẩn) được đánh giá là Nhiệt độ cuộn dây tối đa 130°C ; Loại F đến 155°C; Loại H đến 180°C. Cứ tăng thêm 10°C so với nhiệt độ định mức thì tuổi thọ cách nhiệt sẽ giảm đi một nửa. Sử dụng động cơ có định mức nhiệt thích hợp cho chu kỳ làm việc và lắp đặt bộ bảo vệ nhiệt (nhiệt điện trở PTC hoặc công tắc lưỡng kim) trong các ứng dụng quan trọng.

Lời khuyên mở rộng cuộc sống thực tế

• Không bao giờ vận hành động cơ chổi than khi động cơ ngừng hoạt động quá vài giây - dòng điện ngừng hoạt động Dòng điện định mức 5–10× và tạo ra nhiệt độ cực cao
• Giữ áp suất lò xo của chổi than trong phạm vi quy định của nhà sản xuất - quá nhẹ sẽ gây ra phóng điện; quá nặng làm tăng tốc độ mài mòn cơ học
• Chạy động cơ trong giai đoạn "điền vào" ở mức tải nhẹ trong 10–20 giờ đầu tiên để chổi than phù hợp với cấu hình bề mặt cổ góp
• Giữ cho động cơ sạch sẽ và khô ráo - bụi carbon từ việc mài mòn chổi than có tính dẫn điện và có thể gây đoản mạch nếu tích tụ trong vỏ
• Thêm một tụ điện snubber (thường gốm 0,1µF ) trên các đầu cuối chổi than để triệt tiêu EMI do hồ quang gây ra trong môi trường điện tử nhạy cảm