Phân Loại Động Cơ Điện, Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động

Động cơ điện (motor điện) là máy biến điện năng thành cơ năng quay ở trục, dùng để kéo bơm, quạt, máy nén, băng tải, hộp giảm tốc và hầu hết máy móc trong nhà, trong xưởng. Phân loại động cơ điện phổ biến nhất là theo nguồn điện (1 pha, 3 pha, một chiều) và theo nguyên lý (không đồng bộ, đồng bộ, servo, bước). Chọn động cơ điện theo nguồn điện có sẵn, công suất và tốc độ tải cần, chế độ làm việc và môi trường lắp đặt.

1) Động cơ điện là gì

Motor điện hoạt động dựa trên lực điện từ: dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ bị một lực đẩy (lực Lorentz), lực này vuông góc với cả dây dẫn và từ trường. Gom nhiều dây dẫn lại trên một rotor, các lực cộng lại thành momen quay. Máy làm chiều ngược lại, quay trục để ra điện, gọi là máy phát điện.

Trong gia đình, động cơ điện có mặt ở máy bơm nước, quạt, máy giặt, tủ lạnh, máy hút bụi, máy xay. Trong xưởng, motor 3 pha gần như là "cơ bắp" của mọi dây chuyền.

2) Phân loại động cơ điện

a) Theo nguồn điện cấp vào

Động cơ điện 1 pha dùng điện 220V một pha. Stato có cuộn chạy và cuộn đề; nếu chỉ có một cuộn, từ trường chỉ đập mạch tại chỗ và motor không tự khởi động. Người ta thêm cuộn đề lệch 90 độ điện và tụ điện (hoặc vòng ngắn mạch ở motor quạt nhỏ) để tạo từ trường quay. Motor 1 pha phổ biến từ vài chục W tới 7.5kW, dùng cho bơm nước gia đình, máy nén khí nhỏ, tời, dụng cụ cầm tay. Xem thêm động cơ điện 1 pha các công suất.

Động cơ điện 3 pha dùng lưới 380V ba pha. Ba cuộn dây lệch nhau 120 độ điện, dòng ba pha đi qua tự tạo ra từ trường quay, nên motor tự khởi động, momen đều, hiệu suất cao hơn motor 1 pha cùng công suất. Đây là loại dùng nhiều nhất trong công nghiệp, từ 0.18kW tới hàng trăm kW. Xem các mẫu động cơ điện 3 pha.

Động cơ điện một chiều (DC) dùng ắc quy, pin hoặc nguồn chỉnh lưu: motor chổi than, motor không chổi than BLDC, motor 12V–24V cho xe điện, máy bơm năng lượng mặt trời, thiết bị cầm tay.

b) Theo nguyên lý hoạt động

• Động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng): rotor quay chậm hơn từ trường một chút. Rotor lồng sóc rẻ, bền, gần như không bảo trì; rotor dây quấn có vành trượt, nối điện trở ngoài để giảm dòng khởi động và tăng momen khởi động, dùng cho cầu trục, máy nghiền lớn. Tham khảo thêm bài cấu tạo động cơ điện không đồng bộ.
• Động cơ đồng bộ: rotor quay đúng bằng tốc độ từ trường. Loại kích từ bằng cuộn dây (máy lớn, máy nén công suất cao) và loại nam châm vĩnh cửu (PMSM) dùng trong máy nén biến tần, xe điện, motor servo. Ưu điểm là tốc độ không phụ thuộc tải và hiệu suất cao.
• Động cơ servo và động cơ bước: điều khiển vị trí chính xác, đi kèm bộ driver; dùng cho máy CNC, robot, máy đóng gói. Xem motor servo.
• Động cơ một chiều có chổi than: momen khởi động lớn, chỉnh tốc độ dễ bằng điện áp, nhưng chổi than và cổ góp phải thay, láng định kỳ.

c) Theo kết cấu và công dụng đặc biệt

Motor có thắng từ (motor phanh): phía sau có phanh điện từ, mất điện là phanh đóng giữ trục, dùng cho tời, băng tải dốc, cửa cuốn công nghiệp.

Motor phòng nổ: vỏ gang dày, khe hở mối ghép được tính toán để ngọn lửa bên trong không lan ra ngoài, dùng ở trạm xăng dầu, kho hóa chất, hầm lò. Dòng thông dụng hiện nay là ký hiệu YBX3. Xem motor phòng nổ.

Motor rung: hai đầu trục gắn quả lệch tâm, quay tạo lực rung, dùng cho sàng rung, phễu rung, đầm bê tông. Xem motor rung.

Motor giảm tốc: motor ghép liền hộp số để hạ tốc độ, tăng momen; motor nền thường là loại 4 cực, sau đó tới 6 cực. Có loại chân đế và loại mặt bích. Xem động cơ giảm tốc.

d) Bảng phân loại động cơ điện

3) Cấu tạo motor điện không đồng bộ

Motor kiểu kín (TEFC) có quạt gió đặt ngoài vỏ thổi dọc lá tản nhiệt; kiểu hở (ODP) thì gió đi xuyên qua bên trong. Dù kiểu nào, motor cũng gồm phần tĩnh (stato) và phần quay (rotor).

a) Phần tĩnh – stato

• Lõi thép stato: ghép từ lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0,35–0,5mm, sơn cách điện từng lá để giảm dòng xoáy; mặt trong xẻ rãnh đặt dây quấn.
• Dây quấn stato: dây đồng (hoặc nhôm ở hàng giá rẻ) bọc sơn cách điện, đặt trong rãnh có giấy cách điện lót, nối thành các cuộn pha.
• Vỏ máy, nắp, chân đế: gang hoặc nhôm; hai nắp có ổ lắp bạc đạn đỡ trục rotor. Hộp cực (hộp đấu dây) nằm trên thân.

b) Phần quay – rotor

• Lõi thép rotor: các lá thép dập hình đĩa ép chặt lên trục, mặt ngoài có rãnh.
• Rotor lồng sóc: nhôm đúc vào rãnh thành các thanh dẫn, hai đầu nối tắt bằng vòng ngắn mạch, nhìn như cái lồng; có cánh quạt nhỏ đúc liền để khuấy gió. Rãnh rotor thường làm xiên để motor khởi động êm và giảm rung giật.
• Rotor dây quấn: có cuộn dây ba pha giống stato, đưa ra ba vành trượt và chổi than để nối điện trở ngoài; momen khởi động lớn nhưng kết cấu phức tạp, giá cao.

4) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện không đồng bộ

Cấp điện xoay chiều vào dây quấn stato, dòng điện tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60 x f / p (vòng/phút), f là tần số (50Hz ở Việt Nam), p là số đôi cực. Từ trường quét qua thanh dẫn rotor, cảm ứng ra sức điện động; vì rotor là mạch kín nên có dòng điện chạy trong thanh dẫn. Thanh dẫn mang dòng nằm trong từ trường thì chịu lực điện từ, các lực này cộng lại thành momen kéo rotor quay theo chiều từ trường.

Rotor không bao giờ đuổi kịp từ trường, vì nếu bằng nhau thì không còn cảm ứng, không còn lực. Độ chênh tương đối gọi là hệ số trượt s, thường khoảng 2–6% với motor 3 pha cỡ vừa, motor nhỏ và motor 1 pha có thể tới 8–10%.

Muốn chỉnh tốc độ motor không đồng bộ, cách hiện đại là thay đổi tần số bằng biến tần. Motor hai cấp tốc độ thì đổi số cực bằng cách đấu lại cuộn dây (ví dụ kiểu Dahlander). Đổi sao – tam giác chỉ để khởi động giảm dòng, không phải để chỉnh tốc độ.

5) Chế độ làm việc S1, S2, S3 của motor điện

Theo tiêu chuẩn IEC 60034-1, chế độ làm việc chia từ S1 tới S10:

• S1 – liên tục: chạy tải định mức đủ lâu để nhiệt độ ổn định. Đa số motor bơm, quạt, máy nén ghi S1.
• S2 – ngắn hạn: ví dụ S2-30 phút: chạy tải định mức 30 phút, sau đó nghỉ cho nguội về nhiệt độ môi trường. Thời gian chuẩn 10, 30, 60, 90 phút.
• S3 – ngắt quãng chu kỳ: ghi kèm hệ số đóng điện, ví dụ S3-40% với chu kỳ 10 phút là chạy 4 phút, nghỉ 6 phút; khởi động không ảnh hưởng nhiệt đáng kể. Hay gặp ở tời, palang.
• S4–S8: chu kỳ có tính đến khởi động, hãm điện, thay đổi tốc độ.
• S9, S10: tải và tốc độ thay đổi không theo chu kỳ, thường gặp khi chạy biến tần.

Motor S2, S3 mà đem chạy liên tục thì sẽ quá nhiệt dù dòng chưa vượt định mức nhiều. Đây là lỗi hay gặp khi lấy motor tời đi kéo bơm.

6) Điện áp, dòng điện và biến tần cho động cơ điện

Motor 1 pha chạy 220V; motor 3 pha chạy 380V (đấu sao nếu tem ghi 220/380V, đấu tam giác nếu tem ghi 380/660V). Dòng điện tham khảo theo công suất, motor 4 cực:

• Dòng khởi động trực tiếp gấp 5–7 lần dòng định mức.
• Motor 1 pha phổ biến tới 7.5kW; lớn hơn thường dùng 3 pha.
• Dòng thực tế xem trên tem máy, mỗi hãng chênh một chút.

Biến tần dùng cho motor 3 pha không đồng bộ là chủ yếu: chọn theo dòng định mức motor, tải nặng (băng tải, máy nghiền, máy nén) chọn biến tần loại heavy duty. Nhà chỉ có điện 1 pha mà muốn chạy motor 3 pha thì dùng biến tần vào 1 pha 220V ra 3 pha 220V, motor đấu tam giác 220V. Motor 1 pha có tụ thường không chạy ổn với biến tần thông thường.

7) Cách chọn động cơ điện

• Nguồn điện: chỉ có 1 pha 220V thì chọn motor 1 pha (tới 7.5kW) hoặc motor 3 pha 220V + biến tần; có 3 pha thì ưu tiên motor 3 pha vì bền và hiệu suất cao hơn.
• Công suất: tính từ tải: P (kW) = M (Nm) x n (vòng/phút) / 9550. Cộng dư 10–20% cho tải dao động.
• Tốc độ: bơm, quạt nhỏ hay dùng 2 cực; máy công nghiệp chung dùng 4 cực; tải chậm, momen lớn dùng 6 cực hoặc motor giảm tốc.
• Chế độ làm việc: S1 cho chạy liên tục; tời, palang xem S3.
• Môi trường: ngoài trời, nhiều bụi nước chọn IP55 trở lên; khu vực có khí dễ cháy chọn motor phòng nổ YBX3.
• Kiểu lắp: chân đế B3, mặt bích B5, B35, B14 theo máy.

8) Ứng dụng của động cơ điện

• Gia đình: motor 1 pha cho máy bơm nước giếng khoan, bơm tăng áp, quạt, máy giặt, máy xay sinh tố, máy sấy tóc.
• Nông nghiệp: motor bơm tưới ruộng, máy xay xát gạo, máy tuốt lúa, máy băm cỏ, máy trộn thức ăn chăn nuôi, quạt sục khí ao tôm.
• Công nghiệp: motor 3 pha kéo bơm công nghiệp, quạt hút, máy nén khí, băng tải, máy nghiền, máy trộn, máy công cụ; máy khuấy trong ngành hóa chất, thực phẩm.
• Xây dựng: máy trộn bê tông, tời nâng vật liệu, đầm rung, máy cắt sắt.
• Giao thông: xe điện, tàu điện, thang máy, thang cuốn.

9) Ưu điểm và nhược điểm của các loại động cơ điện

a) Motor không đồng bộ lồng sóc

Rẻ, bền, ít bảo trì, chịu quá tải ngắn tốt. Nhược điểm: dòng khởi động lớn; tốc độ cố định nếu không có biến tần; motor 1 pha momen khởi động phụ thuộc tụ.

b) Motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu và servo

Hiệu suất cao, nhỏ gọn, giữ tốc độ chính xác. Nhược điểm: giá cao, bắt buộc có biến tần hoặc driver, nam châm có thể khử từ nếu quá nhiệt.

c) Motor một chiều

Chỉnh tốc độ dễ, momen khởi động lớn, chạy pin ắc quy được. Nhược điểm: loại chổi than phải thay chổi, có tia lửa ở cổ góp; loại không chổi than cần mạch điều khiển.

10) Câu hỏi thường gặp về phân loại động cơ điện

a) Người sắp mua động cơ điện cần hỏi gì, xác minh gì

• Cần đọc gì trên tem động cơ điện? Công suất kW/HP, điện áp và cách đấu (220/380V Δ/Y), tần số, dòng định mức, tốc độ, hệ số công suất cosφ, hiệu suất hoặc cấp IE, cấp cách điện (F là phổ biến), cấp bảo vệ IP, chế độ làm việc (S1, S3…), kiểu lắp. Tem thiếu dòng định mức hoặc thiếu chế độ làm việc là thiếu thông tin quan trọng.
• Hỏi người bán những gì? Dây quấn đồng hay nhôm, bạc đạn hãng gì, vỏ gang hay nhôm, motor có đạt chuẩn hiệu suất IE2/IE3 không, bảo hành bao lâu. Với motor giảm tốc thì hỏi thêm tỉ số truyền, momen ra và motor nền 4 cực hay 6 cực.
• Làm sao biết motor đúng công suất ghi trên tem? So tâm trục, chiều dài thân, khối lượng với motor cùng công suất. Ví dụ motor 3 pha 4 cực 7.5kW tâm trục thường 132mm, 11kW và 15kW thường 160mm. Chạy có tải đo dòng: dòng chạm định mức mà tải còn nhẹ hơn tính toán là motor non.
• Chọn công suất và số cực ra sao? Tính P = M x n / 9550, cộng dư 10–20%. Máy cần quay 1.450 vòng/phút thì lấy 4 cực, cần 960 lấy 6 cực, cần chậm hơn nữa thì dùng motor giảm tốc thay vì motor nhiều cực.
• Giá động cơ điện khác nhau vì sao? Giá trung bình thị trường Việt Nam chênh nhau theo dây đồng hay nhôm, vỏ gang hay nhôm, cấp hiệu suất, hãng và xuất xứ. So giá phải so cùng công suất, cùng số cực, cùng kiểu lắp. Tham khảo giá motor 3 pha các hãng.

b) Người đã mua: lắp cho đúng, dùng cho tối ưu

• Lắp motor lên máy cần chú ý gì? Bệ phẳng, bắt đủ bốn bu lông chân; căn đồng tâm khớp nối bằng thước hoặc đồng hồ so, lệch tâm nhiều thì bạc đạn mau hỏng. Dây curoa căng vừa, ấn giữa dây lún khoảng 1–2cm là được.
• Đấu điện đúng thế nào? Đọc tem: lưới 380V và tem 220/380V thì đấu sao; tem 380/660V thì đấu tam giác. Motor từ khoảng 7.5–11kW trở lên thường khởi động sao – tam giác hoặc khởi động mềm, biến tần. Luôn có CB và rơ le nhiệt chỉnh theo dòng tem, nối đất vỏ motor.
• Chạy thử ra sao? Chạy không tải kiểm tra chiều quay, đo dòng ba pha cân bằng; sau đó chạy có tải, đo lại dòng và sờ nhiệt vỏ sau 30–60 phút. Ghi lại các số này để sau này so sánh khi motor có dấu hiệu lạ.
• Muốn motor bền, tiết kiệm điện thì làm gì? Chọn motor vừa tải (non tải dưới 50% thì cosφ thấp, hao điện), giữ quạt gió và lá tản nhiệt sạch, bơm mỡ bạc đạn đúng lượng và đúng chu kỳ, bơm – quạt tải thay đổi thì lắp biến tần.
• Motor đang chạy bị nóng, kêu rè thì xử lý sao? Đo điện áp ba pha xem có lệch hay mất pha, đo dòng từng pha, kiểm tra tải có kẹt, nghe bạc đạn. Kêu rè đều theo vòng quay thường là bạc đạn; kêu ù ù và nóng nhanh thường là mất pha hoặc quá tải.

c) Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Đấu tam giác motor 220/380V vào lưới 380V. Mỗi cuộn chịu 380V thay vì 220V, motor gầm, nóng và cháy cuộn trong vài phút. Cách sửa: cắt điện ngay, chuyển sang đấu sao, đo cách điện trước khi chạy lại.
• Dùng motor chế độ S2, S3 cho tải chạy liên tục. Motor nóng dần rồi cháy dù dòng không quá lớn. Cách sửa: xem lại chế độ làm việc trên tem, đổi motor S1 hoặc motor công suất lớn hơn.
• Chọn motor 2 cực cho máy cần momen lớn. Momen ở trục motor 2 cực chỉ bằng một nửa motor 4 cực cùng kW, máy ì, khởi động khó. Cách sửa: đổi motor 4 cực hoặc thêm bộ giảm tốc, đổi puly.
• Không nối đất vỏ motor. Motor rò điện ra vỏ khi ẩm, giật người. Cách sửa: nối dây tiếp địa vào bu lông nối đất ở hộp cực, lắp CB chống giật cho motor 1 pha gia đình.
• Đặt motor ở chỗ kín gió. Quạt hút lại gió nóng, motor quá nhiệt. Cách sửa: chừa khoảng trống phía đuôi quạt, làm mái che thoáng chứ không bọc kín.

d) Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Những khái niệm cần nắm trước? Điện áp pha và điện áp dây, dòng điện, công suất tác dụng – phản kháng, cosφ, hiệu suất; từ trường quay, tốc độ đồng bộ, hệ số trượt; momen và công thức P = M x n / 9550; cấp cách điện, IP, chế độ làm việc S1–S10.
• Nên học loại motor nào trước? Motor 3 pha rotor lồng sóc là bài vỡ lòng vì cấu tạo đơn giản, nguyên lý rõ. Sau đó tới động cơ điện 1 pha có tụ, rồi motor giảm tốc, motor phanh, cuối cùng mới tới servo, motor nam châm vĩnh cửu.
• Thứ tự học hợp lý? Lý thuyết từ trường quay → tháo lắp một motor nhỏ để nhìn tận mắt stato, rotor, bạc đạn → đấu sao/tam giác, đảo chiều → mạch khởi động bằng contactor → biến tần → tìm hiểu quấn dây.
• Tự kiểm chứng bằng đồng hồ đo thế nào? Đo điện trở ba cuộn (phải gần bằng nhau), đo cách điện bằng megger, chạy không tải đo dòng bằng ampe kìm, đo tốc độ bằng máy đo vòng quay rồi tự tính hệ số trượt và so với tem.
• Tài liệu nền nên đọc kèm? Bài giáo trình động cơ điện 3 pha, 1 pha và cách quấn motor 3 pha trên cùng trang để học theo thứ tự.

Đọc thêm: động cơ Parma; cách đấu điện motor 1 pha, đấu tụ, đảo chiều tùy ý.