Động Cơ Điện Vạn Năng: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Kỹ Thuật Quấn Dây

Động cơ điện vạn năng là motor có chổi than và cổ góp, cuộn kích từ stator mắc nối tiếp với rotor, chạy được cả điện xoay chiều 220V lẫn điện một chiều. Loại motor này quay rất nhanh, momen khởi động lớn, nhỏ gọn nên có mặt trong máy xay sinh tố, máy hút bụi, máy khoan, máy mài cầm tay. Khi hỏng, phần hay phải sửa nhất là chổi than, cổ góp và cuộn dây stator, rotor bị cháy do quá tải.

1) Động cơ điện vạn năng là gì

Gọi là "vạn năng" vì cùng một con motor có thể chạy bằng nguồn AC hoặc DC cùng điện áp. Về bản chất nó là motor một chiều kích từ nối tiếp, được thiết kế lõi thép lá để chịu được điện xoay chiều. Khi dòng điện đổi chiều, cả từ trường stator lẫn dòng rotor cùng đổi chiều, nên lực điện từ vẫn giữ một hướng và motor vẫn quay một chiều.

Khác với motor cảm ứng 1 pha hay motor điện 3 pha bị giới hạn bởi tốc độ đồng bộ (tối đa khoảng 3000 vòng/phút ở 50 Hz), motor vạn năng không phụ thuộc tần số, quay được tới hàng chục nghìn vòng/phút.

2) Cấu tạo động cơ điện vạn năng

• Stator: lõi thép lá có hai cực lồi, mỗi cực quấn một cuộn kích từ; nhiều máy có thêm cuộn phụ hoặc đầu rẽ để đổi tốc độ.
• Rotor (phần ứng): lõi thép lá xẻ rãnh, quấn nhiều bối dây, đầu các bối hàn vào lá cổ góp.
• Cổ góp: các lá đồng cách điện với nhau bằng mica, quay cùng rotor.
• Chổi than: hai cục than graphite tì lên cổ góp bằng lò xo, dẫn điện vào rotor.
• Quạt gió gắn trên trục, vỏ nhựa hoặc nhôm, bạc đạn hoặc bạc thau hai đầu.
• Tụ chống nhiễu nhỏ mắc song song ở đầu vào để giảm nhiễu do tia lửa chổi than.

3) Nguyên lý hoạt động của động cơ điện vạn năng

Dòng điện đi qua cuộn kích từ stator, qua chổi than vào rotor rồi quay về. Từ trường stator tác dụng lên dòng trong các bối dây rotor sinh ra momen. Cổ góp liên tục đảo chiều dòng trong từng bối khi rotor quay qua, giữ momen luôn cùng hướng. Vì kích từ nối tiếp, khi tải nhẹ dòng nhỏ, từ trường yếu, motor quay càng nhanh; khi tải nặng thì dòng tăng, momen tăng, tốc độ giảm. Chạy không tải hoàn toàn, motor có thể vọt tốc rất cao, đó là lý do máy xay không có lưỡi kêu rít rất to.

Đổi chiều quay: đảo đầu nối của rotor (hai chổi than) so với cuộn kích từ. Đảo dây nguồn vào không làm đổi chiều, vì cả stator lẫn rotor cùng đổi chiều dòng.

4) Phân loại động cơ điện vạn năng và vị trí trong nhóm motor xoay chiều

Trong nhóm motor chạy điện xoay chiều có ba nhánh chính: motor không đồng bộ (cảm ứng), motor đồng bộ và motor có cổ góp. Động cơ vạn năng thuộc nhánh có cổ góp. Theo cách đổi tốc độ, có thể chia:

• Một tốc độ: máy mài, máy cắt.
• Nhiều nấc bằng đầu rẽ cuộn kích từ: máy xay sinh tố 2 – 3 nấc.
• Có diode chỉnh lưu nửa chu kỳ cho nấc chậm: một số máy xay, máy sấy tóc.
• Điều tốc vô cấp bằng mạch triac: máy khoan có cò bấm điều tốc, máy hút bụi có núm chỉnh.

5) Thông số điện: ampe, điện áp và cách điều tốc

• Dòng khởi động motor vạn năng cao, có thể gấp vài lần dòng định mức trong tích tắc.
• Motor vạn năng không chạy qua biến tần; điều tốc bằng triac, PWM (khi chạy DC) hoặc đầu rẽ cuộn dây.
• Máy ghi 220V có thể chạy 230 – 240V; chạy 110V thì yếu hẳn.

Mạch triac cho motor vạn năng xem chi tiết tại bài mạch điều chỉnh tốc độ motor. Với máy cần chạy cả ngày, công suất lớn, motor cảm ứng hoặc motor 3 pha kết hợp biến tần bền hơn nhiều.

6) Kỹ thuật quấn dây động cơ điện vạn năng

a) Ghi số liệu kỹ thuật trước khi tháo

Trước khi tháo cuộn cũ phải ghi: điện áp, công suất, số nấc tốc độ, sơ đồ đấu dây công tắc, số vòng mỗi cuộn kích từ, cỡ dây (đo bằng thước kẹp sau khi cạo men), số rãnh rotor, số lá cổ góp, số vòng mỗi bối và vị trí hàn đầu bối so với rãnh. Chụp ảnh từng bước. Ví dụ ở một máy xay sinh tố 300W, nấc nhanh dùng ít vòng kích từ, nấc chậm hơn được tạo bằng cách nối thêm một đoạn cuộn phụ, nấc chậm nhất cho dòng đi qua một diode.

b) Quấn lại cuộn kích từ stator

Làm khuôn gỗ theo đúng kích thước cuộn cũ, quấn đúng số vòng và đúng cỡ dây. Bọc cuộn bằng băng vải hoặc băng cách điện, lồng vào hai cực lồi, chèn giấy cách điện, buộc chặt, tẩm vecni rồi sấy. Hai cuộn kích từ phải đấu sao cho hai cực ngược tên nhau (một bắc một nam), đấu sai thì motor gần như không quay.

c) Quấn lại rotor

Rotor khó hơn: phải quấn đều các bối theo thứ tự, đúng bước rãnh, hàn đầu bối vào đúng lá cổ góp theo vị trí cũ. Lệch vị trí hàn làm chổi than đánh lửa mạnh, motor yếu và nóng. Sau khi quấn, kiểm tra từng cặp lá cổ góp liền kề phải có điện trở bằng nhau, kiểm tra chạm lõi bằng megomet, tẩm vecni, sấy, tiện láng cổ góp và cân bằng động nếu có điều kiện.

7) Ứng dụng của động cơ điện vạn năng

• Động cơ vạn năng trong máy xay sinh tố, máy xay thịt, máy ép trái cây, máy đánh trứng.
• Motor vạn năng tốc độ cao cho máy hút bụi gia đình, máy hút bụi công nghiệp mini.
• Motor chổi than trong máy khoan cầm tay, máy mài góc, máy cắt sắt, máy cưa đĩa, máy bào gỗ.
• Động cơ vạn năng cho máy may gia đình đời cũ, máy sấy tóc công suất lớn.
• Motor vạn năng trong máy giặt cửa ngang đời cũ, xem bài motor máy giặt.

8) Ưu điểm, nhược điểm và so sánh với motor khác

a) Ưu điểm

• Tốc độ rất cao, công suất lớn so với kích thước và khối lượng.
• Momen khởi động lớn, hợp với dụng cụ cầm tay.
• Chạy được cả AC và DC, điều tốc dễ bằng triac.
• Giá rẻ, sản xuất hàng loạt.

b) Nhược điểm

• Chổi than và cổ góp mòn, tuổi thọ ngắn hơn motor cảm ứng nhiều lần.
• Ồn, gây nhiễu điện từ, có tia lửa nên không dùng được nơi có khí dễ cháy.
• Tốc độ thay đổi mạnh theo tải, không hợp chạy liên tục nhiều giờ.

c) So với motor DC nam châm và motor không chổi than

Motor DC nam châm chỉ chạy điện một chiều, tốc độ ổn định hơn khi tải thay đổi. Motor không chổi than (BLDC) không có chổi than, bền và hiệu suất cao, nhưng cần mạch điều khiển điện tử; nhiều máy hút bụi, máy khoan đời mới đã chuyển sang BLDC.

9) Câu hỏi thường gặp về động cơ điện vạn năng

a) Người sắp mua máy, mua motor vạn năng thay thế cần hỏi gì, xác minh gì

• Mua motor vạn năng thay thế cần mang theo gì? Mang motor cũ hoặc ít nhất ghi điện áp, công suất, đường kính và chiều dài lõi stator, đường kính trục, kiểu đầu trục (ren, khớp, bánh răng), vị trí lỗ bắt vít, kích thước chổi than. Motor máy xay, máy hút bụi mỗi đời máy một kiểu, đo đúng là lắp vừa.
• Làm sao biết motor có đúng công suất như ghi trên hộp? Đo dòng khi chạy có tải thật: công suất xấp xỉ điện áp nhân dòng. Máy ghi 1000W mà dòng khi xay đầy cối chỉ khoảng 2 A thì công suất thực chỉ khoảng 450W. Khối lượng lõi thép và đường kính rotor cũng là gợi ý: motor nhẹ, lõi ngắn khó cho công suất lớn.
• Cần hỏi gì về chổi than và phụ tùng? Hỏi chổi than có bán rời không, mã chổi than, kích thước. Máy dụng cụ cầm tay tốt thường có nắp mở thay chổi than không cần tháo máy, kèm sẵn một cặp chổi dự phòng.
• Nên chọn máy dùng motor chổi than hay không chổi than? Dùng ít, giá rẻ thì motor chổi than là đủ. Dùng nhiều giờ mỗi ngày như thợ chuyên nghiệp, máy hút bụi công nghiệp thì máy không chổi than bền hơn, ít bảo trì, chịu giá cao hơn.
• Giá motor vạn năng thay thế khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, motor máy xay sinh tố, máy hút bụi thay thế khoảng vài trăm nghìn đồng tùy công suất, rotor (phần ứng) máy khoan, máy mài rời khoảng một trăm tới vài trăm nghìn, chổi than chỉ vài chục nghìn một cặp.

b) Người đã mua: lắp đúng, dùng đúng để motor vạn năng bền

• Thay chổi than đúng cách thế nào? Thay cả cặp, đúng kích thước, chổi phải trượt nhẹ trong ổ, không kẹt. Chạy không tải vài phút để chổi mài khớp với cổ góp trước khi cho tải nặng. Chổi mòn còn khoảng 5 – 6 mm hoặc tới vạch giới hạn thì thay.
• Dùng máy xay, máy khoan thế nào để motor không cháy? Không chạy liên tục quá lâu, máy xay gia đình thường chỉ nên chạy từng đợt khoảng 30 – 60 giây rồi nghỉ. Khi khoan, mài không đè quá mạnh làm motor tụt tốc, vì tốc độ tụt là dòng tăng và quạt làm mát yếu đi.
• Có cần vệ sinh motor vạn năng không? Cần. Bụi than chổi, bụi gỗ, bụi kim loại bám vào cổ góp và khe gió làm đánh lửa và nóng. Thổi khí nén qua khe gió định kỳ, máy mài, máy cắt dùng nhiều nên thổi hàng tuần.
• Lắp mạch điều tốc triac cho máy cần lưu ý gì? Chọn mạch có dòng định mức gấp 1.5 – 2 lần dòng máy, có tản nhiệt. Khi cần lực mạnh thì vặn tốc độ lên cao, vì ở nấc thấp momen yếu, motor dễ bị ghì và nóng.
• Máy chạy thấy tia lửa ở cổ góp có bình thường không? Tia lửa nhỏ, đều quanh chổi than là bình thường. Tia lửa to, chạy vòng quanh cổ góp, có mùi khét là bất thường: chổi mòn, cổ góp bẩn hoặc rotor chập bối. Tắt máy và kiểm tra ngay.

c) Các lỗi thường gặp với động cơ vạn năng và cách sửa

• Bấm công tắc máy không chạy, không kêu thì kiểm tra gì? Kiểm tra dây nguồn, công tắc, cầu chì nhiệt (nếu có), rồi tới chổi than: chổi mòn hết hoặc kẹt trong ổ thì mạch hở. Đo thông mạch từ phích cắm qua stator, chổi than, rotor; chỗ nào hở là lỗi ở đó.
• Motor chạy yếu, đánh lửa xanh quanh cổ góp là bị gì? Thường do rotor chập bối hoặc cổ góp bẩn, rỗ. Vệ sinh cổ góp bằng giấy nhám mịn, nếu rỗ sâu thì tiện láng. Đo điện trở từng cặp lá cổ góp liền nhau, cặp nào thấp hẳn là bối đó chập, cần quấn lại hoặc thay rotor.
• Máy kêu rè, rung mạnh là do đâu? Bạc đạn hoặc bạc thau mòn, rotor mất cân bằng do quấn lại không đều, hoặc cánh quạt gãy. Thay bạc đạn, kiểm tra cánh quạt, quay tay xem rotor có cạ stator không.
• Đấu sai cực hai cuộn kích từ sau khi quấn lại thì sao? Hai cực cùng tên triệt tiêu từ trường, motor quay rất yếu hoặc không quay, dòng lớn và nóng nhanh. Cách sửa: đảo đầu dây của một cuộn kích từ cho hai cực ngược tên, chạy thử lại.
• Máy xay chỉ chạy được một nấc thì sửa thế nào? Kiểm tra công tắc chọn nấc, các đầu rẽ cuộn kích từ, diode ở nấc chậm. Diode đứt thì nấc chậm không chạy, diode chập thì nấc chậm chạy như nấc nhanh. Thay diode cùng thông số dòng, áp.

d) Sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước về động cơ vạn năng

• Cần nắm khái niệm nào trước? Lực điện từ, cổ góp và chổi than, motor DC kích từ nối tiếp, quan hệ tốc độ – tải, điện cảm và tia lửa khi đảo chiều dòng, điều tốc bằng cắt pha. Hiểu motor DC trước thì hiểu motor vạn năng rất nhanh.
• Nên học loại motor nào trước? Học motor DC nam châm và mạch PWM, xem bài điều khiển tốc độ motor DC. Sau đó sang motor vạn năng, rồi mới tới motor cảm ứng 1 pha và motor 3 pha để thấy sự khác biệt giữa motor có cổ góp và motor cảm ứng.
• Thứ tự thực hành sửa motor vạn năng thế nào? Tháo lắp và thay chổi than; đo stator, rotor, cổ góp; vệ sinh, tiện láng cổ góp; sau cùng mới tập quấn cuộn kích từ rồi quấn rotor. Quấn rotor là phần khó nhất, nên tập trên rotor hỏng trước.
• Tự kiểm chứng kiến thức bằng dụng cụ gì? Đồng hồ vạn năng đo điện trở thấp, ampe kìm, máy đo tốc độ quang. Đo tốc độ và dòng khi không tải và khi có tải nhẹ, sẽ thấy tốc độ giảm mạnh, dòng tăng rõ, đúng đặc tính kích từ nối tiếp.
• Có nên học thêm về motor không chổi than? Nên, vì xu hướng dụng cụ điện chuyển dần sang BLDC. Hiểu cảm biến Hall, mạch nghịch lưu 3 pha, PWM; nền tảng về motor 3 pha trong bài cấu tạo motor điện 3 pha cũng giúp hiểu BLDC dễ hơn.

Đọc thêm: động cơ điện 1 pha, cách đấu dây motor điện 1 pha 2 tụ, chất lượng motor Parma, giá motor điện 3 pha.