Động Cơ Điện 1 Chiều: Cấu Tạo, Nguyên Lý, Phân Loại Và Cách Khởi Động

Động cơ điện 1 chiều (motor DC) là động cơ chạy bằng nguồn điện một chiều, tốc độ tỷ lệ gần với điện áp đặt vào, momen tỷ lệ với dòng điện phần ứng, nên chỉnh tốc rất dễ chỉ bằng cách đổi điện áp. Loại thông dụng nhất hiện nay là motor DC nam châm vĩnh cửu có chổi than 12V, 24V từ vài chục W tới vài trăm W, dùng cho xe điện mini, máy bơm DC, băng tải nhẹ, cửa tự động, máy nông nghiệp chạy ắc quy. Chọn động cơ 1 chiều cần xác định điện áp nguồn (12V, 24V, 90V, 180V), công suất, tốc độ, có cần hộp số và bộ điều tốc hay không.

1) Động cơ điện 1 chiều là gì

DC là viết tắt của Direct Current, dòng điện một chiều. Động cơ điện 1 chiều biến điện năng một chiều thành cơ năng nhờ lực điện từ tác dụng lên cuộn dây phần ứng nằm trong từ trường. Hai đặc tính khiến motor DC được dùng nhiều trong máy cần chỉnh tốc và khởi động nặng: tốc độ gần tỷ lệ thuận với điện áp phần ứng, và momen tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng.

2) Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

• Stator (phần cảm): tạo từ trường, là nam châm vĩnh cửu ở motor nhỏ, hoặc cuộn dây kích từ quấn trên cực từ ở motor lớn.
• Rotor (phần ứng): lõi thép xẻ rãnh, trong rãnh quấn các cuộn dây, đầu dây nối ra cổ góp.
• Cổ góp: các phiến đồng cách điện với nhau, làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong từng cuộn dây khi rotor quay, để lực điện từ luôn cùng một chiều.
• Chổi than: tì vào cổ góp để đưa điện vào phần ứng, là chi tiết hao mòn phải thay định kỳ.
• Vỏ, nắp, bạc đạn, quạt làm mát (ở motor công suất lớn).

3) Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều

Cấp điện một chiều vào phần ứng qua chổi than và cổ góp, dòng trong cuộn dây nằm trong từ trường stator chịu lực điện từ, sinh momen quay. Khi rotor quay qua vị trí trung tính, cổ góp đổi chiều dòng trong cuộn dây đó, nên momen giữ nguyên chiều và rotor quay liên tục.

Khi quay, cuộn dây phần ứng cắt từ trường và sinh ra sức phản điện động E, ngược chiều điện áp nguồn. Quan hệ cơ bản:

• Dòng phần ứng: I = (U − E) / R, trong đó U là điện áp nguồn, R là điện trở phần ứng.
• Công suất điện từ: P = E × I.
• Lúc mới đóng điện, rotor đứng yên nên E = 0, dòng khởi động I = U / R rất lớn, có thể gấp 10–20 lần dòng định mức với motor lớn.

Nếu dùng lực ngoài quay trục motor DC, nó trở thành máy phát điện một chiều; đây cũng là nguyên lý của phanh tái sinh trên xe điện.

4) Phân loại động cơ điện 1 chiều theo cách kích từ

a) Kích từ độc lập

Cuộn kích từ và phần ứng lấy điện từ hai nguồn riêng. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Uư = Eư + (Rư + Rf) × Iư, với Rf là điện trở phụ mắc thêm. Khi từ thông giữ không đổi, đặc tính cơ gần như tuyến tính: tải tăng thì tốc độ giảm ít. Đây là loại dễ điều khiển nhất, dùng nhiều trong máy cán, máy công cụ cũ.

b) Kích từ song song

Cuộn kích từ mắc song song với phần ứng, dòng vào I = Iư + Ikt. Tốc độ khá ổn định khi tải thay đổi. Chỉnh tốc bằng biến trở trong mạch kích từ: giảm dòng kích từ thì từ thông giảm, tốc độ tăng; nhưng giảm từ thông nhiều thì dòng phần ứng có thể vượt mức cho phép.

c) Kích từ nối tiếp

Cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng, cùng chịu một dòng. Momen khởi động rất lớn (tỷ lệ gần bình phương dòng điện), tốc độ thay đổi mạnh theo tải: tải nhẹ thì quay rất nhanh. Vì vậy motor nối tiếp không được chạy không tải. Dùng cho tàu điện, xe nâng, tời, máy khởi động ô tô, motor vạn năng.

d) Kích từ hỗn hợp

Có cả cuộn song song và cuộn nối tiếp, kết hợp momen khởi động lớn với tốc độ tương đối ổn định. Dùng cho máy nghiền, máy ép, thang máy đời cũ, cầu trục.

e) Nam châm vĩnh cửu

Từ trường do nam châm ferrite hoặc nam châm đất hiếm tạo ra, không tốn điện kích từ, kích thước gọn, hiệu suất tốt. Đây là loại chiếm đa số trong motor DC 12V, 24V hiện nay, đặc tính giống kích từ độc lập với từ thông không đổi.

5) Thông số điện: dòng điện, nguồn và bộ điều tốc

• Tính theo I ≈ P / (U × hiệu suất), hiệu suất motor DC nhỏ khoảng 75–85%.
• Dòng khởi động gấp nhiều lần dòng định mức; nguồn và cầu chì phải chịu được.
• Cùng công suất, chọn 24V thì dòng chỉ bằng một nửa, dây nhỏ hơn, sụt áp ít hơn.

Motor DC lấy điện từ ắc quy, nguồn tổ ong (nguồn xung 220VAC ra 12V/24V DC), hoặc bộ điều tốc DC vào 220VAC ra 0–90V/0–180V cho motor DC công nghiệp. Chỉnh tốc dùng bộ điều tốc PWM. Biến tần thì dùng cho motor điện 3 pha xoay chiều, không dùng cho motor DC có chổi than. Các mẫu motor DC xem ở motor 12V và bộ chỉnh tốc ở bộ điều tốc motor.

6) Các phương pháp khởi động động cơ 1 chiều

a) Khởi động trực tiếp

Đóng thẳng điện áp định mức vào motor. Đơn giản, rẻ, momen khởi động lớn, dùng được cho motor DC nhỏ vài chục tới vài trăm W vì điện trở phần ứng tương đối lớn. Motor lớn khởi động trực tiếp thì dòng rất cao, tia lửa ở cổ góp, sụt áp nguồn và dễ hỏng chổi than.

b) Khởi động bằng điện trở phụ

Mắc điện trở phụ (Rmở) nối tiếp phần ứng, khi motor lên tốc thì cắt dần từng cấp. Cách truyền thống của motor DC công nghiệp cỡ lớn.

c) Khởi động mềm bằng bộ điều tốc DC

Bộ chỉnh lưu thyristor hoặc bộ PWM tăng điện áp từ 0 lên định mức trong thời gian đặt trước, dòng khởi động được giới hạn, máy tăng tốc êm, giảm va đập cho hộp số, xích, băng tải. Bộ điều tốc DC thường có sẵn bảo vệ quá dòng, đảo chiều, hãm. Đây là cách khởi động đầy đủ nhất cho motor DC hiện nay.

7) Cách đảo chiều động cơ DC

Đảo chiều motor DC bằng cách đổi chiều dòng phần ứng hoặc đổi chiều dòng kích từ, không đổi cả hai cùng lúc. Với motor nam châm vĩnh cửu chỉ có hai dây, đảo hai dây nguồn là đổi chiều; muốn đảo tự động thì dùng mạch cầu H, relay đảo chiều hoặc bộ điều tốc có chức năng đảo.

Với motor có cuộn kích từ chia hai nửa, bốn đầu F1, F2, F3, F4: đấu nối tiếp thì nối F2 với F3, đưa F1, F4 về bộ điều khiển; đấu song song thì nối F1 với F3, F2 với F4 (hai nửa cùng chiều) rồi đưa hai cặp về bộ điều khiển. Luôn kiểm tra theo sơ đồ trên nắp hộp cực của hãng.

Lưu ý vị trí chổi than: motor DC tối ưu chổi than cho một chiều quay thì chạy chiều ngược lại sẽ khác tốc độ và dòng. Ví dụ một motor danh định 10.000 vòng/phút, 1A: chạy thuận chiều đo được khoảng 11.000 vòng/phút, 0.8A; chạy ngược khoảng 9.000 vòng/phút, 1.2A và tia lửa nhiều hơn.

8) Các loại động cơ điện 1 chiều 12V, 24V thông dụng

a) Motor DC trục thẳng

• Công suất từ 15W tới 450W, đường kính trục ra 12, 15, 22mm tùy cỡ.
• Tốc độ ví dụ: khoảng 1100 vòng/phút khi cấp 12V, khoảng 2350 vòng/phút khi cấp 24V với cùng một mẫu.
• Mẫu 450W: trục 11mm, mặt vuông 90 × 90mm.

b) Motor DC trục vuông góc (hộp số bánh răng)

• Công suất 60W tới 370W, trục ra 15mm, tốc độ ra khoảng 470 tới 30 vòng/phút.
• Tỉ số truyền thường dùng: 10, 20, 30, 40, 50, 60.
• Loại cốt dương: trục 15mm, rãnh then 5mm. Loại cốt âm: lỗ 17mm, rãnh then 5mm, hộp số mã 5GN.

c) Motor DC ghép hộp số trục vít RV (NMRV)

• Công suất 60W tới 370W, trục ra 14mm hoặc 18mm, tốc độ ra khoảng 470 tới 6 vòng/phút.
• Tỉ số truyền: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100.
• Ghép hộp số NMRV size 30 (trục ra 14mm) hoặc size 40 (trục ra 18mm).

d) Motor DC mặt bích

Trục ra 18mm, mặt bích 60 × 130mm, lắp trực tiếp vào thân máy hoặc hộp số rời.

Motor DC ghép hộp số còn có các mẫu khác trong nhóm động cơ giảm tốc.

9) Ứng dụng động cơ điện 1 chiều

• Motor DC 12V, 24V cho xe điện mini, xe lăn điện, xe đẩy hàng, robot tự hành.
• Motor DC giảm tốc cho cửa cổng tự động, rèm cuốn, máy cuốn lưới, máy xới mini chạy ắc quy.
• Motor DC 24V chạy pin năng lượng mặt trời kéo bơm, quạt, máy sục khí ao nuôi.
• Motor DC trong băng tải nhẹ, máy đóng gói, máy chiết rót cần chỉnh tốc đơn giản.
• Motor DC kích từ nối tiếp cho xe nâng điện, tời điện, máy khởi động động cơ đốt trong.
• Motor DC công nghiệp 180V, 220V cho máy cán, máy kéo dây, máy in đời cũ.

10) Ưu điểm và nhược điểm của động cơ điện 1 chiều

a) Ưu điểm

• Chỉnh tốc dễ, dải rộng, chỉ cần đổi điện áp.
• Momen khởi động lớn, nhất là motor kích từ nối tiếp.
• Chạy trực tiếp từ ắc quy, pin mặt trời, không cần nghịch lưu.
• Bộ điều tốc DC rẻ, đơn giản.

b) Nhược điểm

• Chổi than và cổ góp mòn, phải bảo trì; tia lửa ở cổ góp không hợp nơi có khí dễ cháy.
• Dòng lớn ở điện áp thấp, dây và công tắc phải to.
• Cùng công suất, motor DC công nghiệp đắt và nặng hơn motor 3 pha không đồng bộ.

So sánh chi tiết hai loại xem bài động cơ điện 1 chiều và xoay chiều khác gì nhau.

11) Câu hỏi thường gặp về động cơ điện 1 chiều

a) Người sắp mua động cơ 1 chiều cần hỏi gì, xác minh gì

• Mua motor DC cần hỏi người bán những thông số nào? Điện áp định mức (12V, 24V, 36V, 48V, 90V, 180V), công suất, tốc độ không tải và tốc độ có tải, dòng định mức, momen định mức, có hộp số không và tỉ số bao nhiêu, đường kính trục, kiểu lắp (chân đế, mặt bích), loại chổi than có thay được không.
• Đọc tem motor DC thế nào cho đúng? Tem thường ghi V, W, A, rpm. Đối chiếu: công suất / (điện áp × dòng) phải ra khoảng 0.75–0.85. Ví dụ motor ghi 24V 250W mà dòng 6A là không khớp (24 × 6 = 144W), motor thật 250W ở 24V phải khoảng 13A.
• Làm sao nhận ra motor DC yếu hơn quảng cáo? Cân và so kích thước với mẫu cùng công suất. Thử tải: gắn vào máy, cấp đúng điện áp, đo dòng và tốc độ; tốc độ tụt mạnh, dòng vượt tem khi tải chưa tới định mức là motor bị ghi công suất cao hơn thực tế.
• Chọn 12V hay 24V? Nguồn có sẵn ắc quy 12V thì chọn 12V. Lắp mới, công suất từ khoảng 200W trở lên thì nên cân nhắc 24V để dòng nhỏ, dây nhỏ, ít sụt áp. Hệ pin mặt trời thường chọn 24V hoặc 48V.
• Giá động cơ điện 1 chiều tham khảo? Giá trung bình thị trường Việt Nam: motor DC 12V/24V cỡ 60–120W khoảng vài trăm nghìn tới khoảng một triệu đồng; cỡ 250–450W có hộp số khoảng một tới vài triệu đồng; motor DC công nghiệp 90V, 180V và bộ điều tốc đi kèm cao hơn tùy công suất.

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

• Đấu nguồn cho motor DC thế nào để khỏi sụt áp? Dây ngắn và đủ tiết diện theo bảng mục 5, đầu cos bấm chắc, có cầu chì hoặc CB DC gần nguồn. Motor 12V 450W chạy cách ắc quy 3m nên dùng dây 10mm² trở lên.
• Chọn nguồn tổ ong cho motor DC bao nhiêu A? Dòng nguồn lớn hơn dòng định mức motor khoảng 1.5–2 lần để chịu dòng khởi động. Motor 24V 250W (khoảng 13A) dùng nguồn 24V 20–25A.
• Dùng bộ điều tốc PWM sao cho bền? Chọn bộ có dòng định mức lớn hơn motor, cài tăng tốc mềm nếu có, tránh đảo chiều khi motor đang quay nhanh. Chạy chậm lâu dài thì motor kém mát, theo dõi nhiệt độ vỏ.
• Bao lâu thay chổi than một lần? Tùy giờ chạy và tải, thường vài trăm tới vài nghìn giờ. Khi chổi còn khoảng 1/3 chiều dài ban đầu hoặc tia lửa ở cổ góp tăng rõ thì thay, thay đúng mác chổi và kiểm tra lò xo tì.
• Motor DC chạy nóng thì kiểm tra gì? Đo dòng so với tem; quá dòng là tải nặng, hộp số khô dầu hoặc kẹt cơ khí. Dòng bình thường mà nóng thì kiểm tra thông gió, điện áp nguồn có vượt định mức, cổ góp có cháy rỗ.

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

• Cấp motor 12V vào nguồn 24V cho "khỏe hơn"? Motor quay nhanh gần gấp đôi, dòng và nhiệt tăng, chổi than mòn rất nhanh, cuộn dây có thể cháy. Cách sửa: trả về đúng điện áp tem, cần nhanh hơn thì đổi tỉ số hộp số hoặc chọn motor 24V.
• Dùng dây nguồn quá nhỏ? Triệu chứng: motor yếu khi tải, dây nóng, ắc quy báo đủ điện nhưng đo ở cọc motor chỉ còn 9–10V. Cách sửa: thay dây đủ tiết diện, rút ngắn khoảng cách, siết lại đầu cos.
• Đảo chiều đột ngột khi motor đang chạy? Dòng đỉnh rất lớn, cháy relay, hỏng bộ điều tốc, sứt răng hộp số. Cách sửa: dừng hẳn rồi mới đảo, hoặc dùng bộ điều tốc có chức năng hãm và trễ đảo chiều.
• Chạy motor DC kích từ nối tiếp không tải? Tốc độ vọt lên quá cao, có thể vỡ cổ góp. Cách sửa: luôn nối cứng tải với motor, không dùng dây đai có thể tuột.
• Bỏ qua chổi than đã mòn sát? Phần kim loại giữ chổi cào lên cổ góp, làm xước sâu, phải tiện lại cổ góp. Cách sửa: kiểm tra chổi định kỳ, thay sớm; cổ góp đã xước thì đánh bóng hoặc tiện láng rồi xẻ lại rãnh mica.

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

• Khái niệm cần nắm trước khi học động cơ 1 chiều? Lực điện từ (quy tắc bàn tay trái), cảm ứng điện từ, sức phản điện động, từ thông, phương trình U = E + I × R, momen M = k × Φ × I, tốc độ n ≈ (U − I × R) / (k × Φ), khái niệm cổ góp và chổi than.
• Nên tìm hiểu sản phẩm nào trước? Bắt đầu với motor DC nam châm vĩnh cửu 12V có chổi than, vì dễ đo và an toàn. Sau đó tới motor kích từ độc lập, song song, nối tiếp; rồi chuyển sang động cơ bước và động cơ không chổi than. Song song nên học motor 3 pha để so sánh.
• Thứ tự thực hành hợp lý? Đo điện trở phần ứng; cấp điện qua nguồn điều chỉnh, ghi tốc độ theo điện áp; thêm tải (phanh tay hoặc máy phát) để vẽ đặc tính momen – tốc độ; lắp mạch cầu H với PWM để chỉnh tốc và đảo chiều.
• Tự kiểm chứng bằng đồng hồ đo thế nào? Đo điện trở R phần ứng khi đứng yên; đo điện áp U và dòng I khi chạy, tính E = U − I × R. Quay tay motor bằng máy khoan và đo điện áp phát ra để thấy motor DC cũng là máy phát. So các con số với tem.
• Tài liệu nên đọc thêm? Bài so sánh động cơ chổi than và không chổi than và điều khiển động cơ servo để hiểu các loại động cơ DC hiện đại.

Bài và sản phẩm liên quan:

• Motor 12v
• Motor 12v 15w DC, 30w, 40w, 50w, 60w, 80w, 100w, 120w, 150w, 200w, 250w, 300w, 350w, 450W DC
• Động Cơ Điện 1 Chiều Và Động Cơ Điện Xoay Chiều Khác Gì Nhau
• Motor DC 12v 24v: Tốc Độ, Tính Năng, Ký Hiệu Mã Hàng
• Cách Đấu Điện Motor 1 Pha, Đấu Tụ, Đảo Chiều
• Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Motor 3 Pha, Lợi Ích, Khái Niệm
• Động Cơ Parma, Thương Hiệu Bán Chạy Nhất Việt Nam
• Giá Motor 3 Pha Hitachi, Toshiba, Mitsubishi, ABB, Siemens, Giá Quấn Lại Motor