Ly Hợp Thắng Từ Là Gì? Nguyên Lý Hoạt Động Của Ly Hợp Phanh Từ 

Ly hợp thắng từ (ly hợp phanh từ, clutch brake) là cụm điện từ gồm một ly hợp để nối – ngắt truyền động giữa trục motor và trục máy, và một phanh để hãm dừng trục máy, điều khiển bằng điện một chiều thường 24V DC. Thiết bị này dùng cho máy đóng gói, máy cắt, băng tải định vị, máy in, máy dập cần dừng đúng vị trí trong khi motor vẫn quay. Chọn ly hợp thắng từ theo momen truyền (Nm), tốc độ, điện áp cuộn dây, kiểu lắp trục và tần suất đóng ngắt mỗi phút.

1) Ly hợp thắng từ là gì

Ly hợp điện từ là khớp nối trục có thể đóng – mở bằng điện; phanh điện từ là cơ cấu hãm trục bằng lực từ. Khi ghép chung thành một cụm, ta có ly hợp thắng từ: lúc cấp điện cho ly hợp thì trục máy chạy theo motor, lúc chuyển điện sang phanh thì trục máy được tách khỏi motor và dừng lại nhanh. Motor không phải khởi động lại liên tục nên đỡ nóng, đỡ hỏng.

Cần phân biệt với phanh từ gắn đuôi motor (motor phanh từ): loại này không có ly hợp, chỉ có phanh hãm trục motor, thường là kiểu lò xo – mất điện thì phanh ăn, có điện thì nhả. Motor phanh từ hay gặp trong tời, cầu trục, băng tải dốc, có trong các dòng motor điện 3 pha và động cơ giảm tốc có phanh.

2) Cấu tạo bộ ly hợp phanh từ

• Cuộn dây ly hợp và cuộn dây phanh: quấn trong vỏ thép từ (gọi là "field"), cấp điện DC, thường 24V; một số loại 90V DC.
• Rotor ly hợp: gắn với trục vào (phía motor), quay liên tục.
• Đĩa phần ứng (armature): bằng thép từ, gắn với trục ra qua lá lò xo hoặc then hoa, bị hút vào rotor (ly hợp) hoặc vào mặt phanh.
• Bề mặt ma sát: vật liệu ma sát chịu nhiệt giữa đĩa phần ứng và rotor, giữa đĩa phần ứng và mặt phanh.
• Lò xo hồi và vòng điều chỉnh khe hở: giữ khe hở khoảng 0,2–0,5 mm khi không cấp điện.
• Vỏ, bạc đạn, trục vào – trục ra hoặc mặt bích lắp puly, khớp nối.

3) Nguyên lý hoạt động của ly hợp thắng từ

a) Khi cấp điện cho ly hợp

Cuộn ly hợp sinh từ trường, hút đĩa phần ứng dính vào rotor đang quay. Lực ma sát kéo đĩa phần ứng quay theo, momen truyền sang trục ra. Phanh lúc này không có điện, khe hở phía phanh mở.

b) Khi chuyển điện sang phanh

Ngắt điện ly hợp, cấp điện cho cuộn phanh: đĩa phần ứng bị nhả khỏi rotor và hút vào mặt phanh đứng yên, trục ra dừng trong vài chục mili giây. Motor phía trước vẫn quay bình thường.

c) Phanh lò xo kiểu an toàn (mất điện phanh)

Ở motor phanh từ và một số cụm phanh an toàn, lò xo ép sẵn đĩa phanh; khi cấp điện, nam châm hút đĩa nhả ra cho motor quay. Mất điện đột ngột thì lò xo ép lại, giữ tải không tụt. Đây là kiểu bắt buộc cho tời nâng, thang nâng hàng.

4) Các loại ly hợp thắng từ phổ biến

a) Ly hợp phanh từ đơn đĩa (ma sát khô)

Phổ biến nhất, một đĩa ma sát, cấu tạo đơn giản, đáp ứng nhanh. Dùng cho máy đóng gói, máy cắt túi, băng tải định vị, momen từ vài Nm tới vài trăm Nm.

b) Ly hợp phanh từ đa đĩa

Nhiều đĩa xếp chồng, momen lớn trong đường kính nhỏ, có loại chạy khô và loại chạy ướt trong dầu (tản nhiệt tốt). Dùng trong hộp số máy công cụ, máy dập, máy công nghiệp nặng.

c) Phanh và ly hợp từ trễ (hysteresis)

Truyền momen bằng hiện tượng từ trễ trong vòng vật liệu từ, không có tiếp xúc ma sát nên gần như không mòn, momen tỉ lệ với dòng điều khiển. Dùng cho máy quấn dây, căng chỉ, bàn thử motor; momen nhỏ.

d) Phanh và ly hợp bột từ

Khe giữa rotor và vỏ chứa bột từ; cấp dòng thì bột liên kết thành "cầu" truyền momen, momen tỉ lệ với dòng điện. Dùng nhiều để điều khiển lực căng khi cuộn – xả màng, giấy, vải; cần tản nhiệt khi trượt liên tục.

5) Điện áp, dòng điện và chuyện dùng với biến tần

• Ly hợp phanh từ công nghiệp thường dùng 24V DC; công suất cuộn dây khoảng 10–60W, nên dòng khoảng 0,4–2,5A. Nguồn 24V chọn dư ít nhất 30% vì lúc hút cần dòng ổn định.
• Phanh từ gắn đuôi motor 3 pha thường dùng DC 99V hoặc 170–190V qua bộ chỉnh lưu cấp từ 220V hoặc 380V xoay chiều; dòng cuộn phanh vài trăm mA.
• Motor kéo cụm ly hợp phanh: motor 3 pha 380V 0.75kW khoảng 1,9–2,1A, 1.5kW khoảng 3,5A, 2.2kW khoảng 5A; motor 1 pha 220V 0.75kW khoảng 5–6A.
• Dùng với biến tần: nguồn cuộn phanh lấy từ lưới hoặc nguồn riêng, không lấy từ đầu ra biến tần (điện áp ra thay đổi theo tần số làm phanh nhả không dứt khoát). Dùng ngõ rơ le của biến tần để điều khiển nhả phanh sau khi motor đã có momen.
• Có biến tần thì nhiều ứng dụng định vị có thể thay ly hợp thắng từ bằng motor + biến tần hãm, hoặc motor servo nếu cần độ chính xác cao.

6) So sánh ly hợp thắng từ với các loại phanh khác

• Ly hợp thắng từ cho phép motor chạy liên tục, chỉ trục máy dừng – chạy.
• Phanh cơ cần người hoặc cơ cấu tác động, khó tự động hóa theo chu kỳ nhanh.
• Phanh thủy lực lực lớn nhưng cần cụm nguồn dầu và đường ống.

7) Ứng dụng của ly hợp thắng từ

• Ly hợp phanh từ 24V cho máy đóng gói, máy cắt túi nilon, máy đóng nắp chai, máy dán nhãn.
• Bộ ly hợp thắng từ cho băng tải định vị, băng chuyền chia hàng, máy đếm sản phẩm.
• Phanh từ cho tời điện, cầu trục, palăng, thang nâng hàng, cửa cuốn công nghiệp.
• Ly hợp phanh bột từ điều khiển lực căng máy cuộn màng, máy in ống đồng, máy chia cuộn giấy.
• Ly hợp điện từ trong máy công cụ, máy dệt, máy may công nghiệp, máy dập cơ.
• Kết hợp với hộp giảm tốc cho cơ cấu nâng, xoay bàn, đóng mở cửa xả liệu.

8) Ưu điểm và nhược điểm

• Đáp ứng nhanh (vài chục mili giây), dừng – chạy được nhiều chục lần mỗi phút.
• Motor không phải khởi động lặp lại, tránh dòng đề lớn và nóng cuộn dây.
• Điều khiển dễ bằng PLC, cảm biến, chỉ cần nguồn 24V DC.
• Nhược điểm: bề mặt ma sát mòn theo số lần đóng ngắt, phải chỉnh khe hở hoặc thay đĩa.
• Nhược điểm: sinh nhiệt khi trượt, tần suất cao vượt khả năng tản nhiệt sẽ làm giảm momen.

9) Câu hỏi thường gặp về ly hợp thắng từ

a) Người sắp mua ly hợp thắng từ cần hỏi gì, xác minh gì

• Những thông số nào bắt buộc phải có? Momen định mức (Nm), điện áp cuộn dây (24V DC, 90V DC…), công suất cuộn dây (W), tốc độ tối đa, đường kính lỗ trục hoặc trục ra, kiểu lắp (trục – trục, mặt bích, puly), thời gian đáp ứng hút và nhả. Bản cũ hỏng thì chụp tem và đo kích thước lắp ghép.
• Tính momen cần cho ly hợp thế nào? Momen trên trục lắp ly hợp T = 9550 × P / n, nhân hệ số an toàn 1,5–2 cho tải có quán tính. Ví dụ đặt ly hợp sau motor 0.75kW 1450 vòng/phút: T ≈ 4,9 Nm, chọn ly hợp khoảng 10 Nm. Nếu đặt sau hộp số tỉ số 10, momen gấp khoảng 10 lần, cần ly hợp lớn hơn nhiều.
• Làm sao nhận ra hàng không đúng như quảng cáo? Đo điện trở cuộn dây: 24V – 20W thì điện trở khoảng 24² / 20 ≈ 29 Ω. Lệch quá xa là cuộn dây khác thông số. Bề mặt ma sát mỏng, vỏ thép mỏng, bạc đạn không thương hiệu là dấu hiệu hàng rẻ.
• Có cần mua thêm bộ điều khiển không? Ly hợp phanh từ cần nguồn 24V DC đủ công suất và mạch chuyển đổi ly hợp – phanh (rơ le hoặc bộ điều khiển chuyên dùng, có loại có chức năng kích nhanh). Loại bột từ cần bộ điều khiển dòng để chỉnh lực căng.
• Giá ly hợp thắng từ khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, giá phụ thuộc momen, kiểu và hãng, từ vài triệu đến vài chục triệu đồng mỗi bộ. Hỏi rõ có sẵn đĩa ma sát thay thế không, vì đây là phần sẽ thay trong quá trình dùng.

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

• Lắp ly hợp thắng từ cần lưu ý gì? Trục vào và trục ra phải đồng tâm, độ lệch tâm nhỏ (dưới khoảng 0,05 mm với loại trục – trục). Khoá then và vít hãm chắc chắn, không gõ búa vào vỏ cuộn dây. Giữ khe hở đúng catalog bằng lá căn.
• Đấu điện thế nào? Nguồn 24V DC đúng cực tính, dây đủ tiết diện, có diode hoặc mạch dập xung ngược song song cuộn dây để bảo vệ tiếp điểm rơ le và ngõ ra PLC. Không cấp điện cùng lúc cho cả ly hợp và phanh.
• Chạy thử bao lâu thì đạt momen? Bề mặt ma sát mới cần "rà" (burnishing): đóng ngắt có tải nhẹ vài trăm lần để mặt ma sát ăn khớp, momen tăng lên định mức. Lúc mới lắp momen có thể chỉ đạt 50–80% định mức.
• Dùng sao cho bền? Giữ tần suất đóng ngắt trong giới hạn catalog, tránh để ly hợp trượt kéo dài; giữ dầu mỡ xa mặt ma sát; kiểm tra khe hở định kỳ, khe hở tăng quá giới hạn thì chỉnh lại hoặc thay đĩa.
• Motor phanh từ phanh không ăn, tải tụt thì xử lý thế nào? Ngắt điện, kiểm tra khe hở phanh (thường 0,3–0,6 mm), độ mòn đĩa phanh, bộ chỉnh lưu cấp điện phanh. Khe hở lớn thì chỉnh lại theo hướng dẫn, đĩa mòn thì thay.

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

• Cấp điện xoay chiều vào cuộn 24V DC? Triệu chứng: cuộn dây kêu rè, nóng, cháy nhanh. Cách sửa: thay cuộn dây hoặc cả bộ, dùng nguồn 24V DC đúng công suất.
• Bỏ diode dập xung ở cuộn dây? Triệu chứng: tiếp điểm rơ le cháy rỗ, ngõ ra transistor của PLC hỏng. Cách sửa: thay ngõ ra hoặc rơ le, lắp diode (hoặc varistor) song song với từng cuộn dây.
• Để dầu, mỡ dính vào mặt ma sát? Triệu chứng: ly hợp trượt, phanh không giữ, dừng sai vị trí. Cách sửa: tháo đĩa, rửa bằng dung môi không để lại cặn, mặt ma sát đã ngấm dầu thì thay mới.
• Không chỉnh khe hở sau thời gian dài sử dụng? Triệu chứng: hút chậm, có lúc không hút, momen giảm. Cách sửa: đo khe hở bằng lá căn, chỉnh về đúng giá trị catalog.
• Lấy điện cuộn phanh motor từ đầu ra biến tần? Triệu chứng: phanh nhả không dứt khoát khi chạy tần số thấp, đĩa phanh mòn nhanh, motor nóng. Cách sửa: cấp nguồn phanh từ lưới qua bộ chỉnh lưu riêng, điều khiển bằng rơ le của biến tần.

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

• Khái niệm nào cần nắm trước? Lực hút nam châm điện và khe hở không khí, momen ma sát T = μ × F × r, momen quán tính và thời gian dừng, công suất – momen – tốc độ (T = 9550 × P / n), năng lượng nhiệt sinh ra mỗi lần trượt.
• Nên học thiết bị nào trước? Học motor 3 pha rotor lồng sóc và mạch khởi động từ trước, sau đó học motor phanh từ (phanh lò xo), tiếp tới ly hợp điện từ và ly hợp phanh đơn đĩa, cuối cùng mới là ly hợp bột từ, từ trễ và điều khiển lực căng.
• Thực hành gì để hiểu? Lắp một bộ ly hợp phanh 24V với motor nhỏ, điều khiển bằng hai rơ le hoặc PLC: đo thời gian từ lúc cấp điện tới lúc trục ra chạy, và thời gian dừng. Thay đổi khe hở để thấy thời gian hút thay đổi.
• Tự kiểm chứng thông số bằng dụng cụ nào? Đồng hồ VOM đo điện trở cuộn dây, ampe kìm DC đo dòng, lá căn đo khe hở, cờ lê lực hoặc cân lực để ước momen phanh tĩnh.
• Thứ tự học hợp lý? Điện từ cơ bản, motor và mạch điều khiển, phanh lò xo, ly hợp – phanh điện từ, điều khiển bằng PLC, sau đó biến tần, servo và các bài toán định vị chính xác.