Stator Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Cách Kiểm Tra Stator Động Cơ Điện

Stator là gì? Stator (stato, phần tĩnh, tiếng Anh: stator) là phần đứng yên của động cơ điện và máy phát điện, gồm vỏ máy, lõi thép ghép từ lá thép kỹ thuật điện và cuộn dây đặt trong rãnh lõi thép; trong động cơ xoay chiều, dòng điện chạy qua cuộn dây stator tạo ra từ trường quay để kéo rotor quay. Bài viết trình bày cấu tạo stator, nguyên lý tạo từ trường quay, cách đấu sao – tam giác, các loại stator, thông số cần đọc, cách đo kiểm cuộn dây và những hư hỏng stator hay gặp.

Mục lục

• 1. Stator là gì? Vị trí của stator trong động cơ điện
• 2. Cấu tạo của stator động cơ điện
• 3. Nguyên lý hoạt động của stator
• 4. Các loại stator theo kiểu động cơ
• 5. Thông số của stator: điện áp, dòng điện, cấp cách điện
• 6. Vai trò và ưu điểm của một stator thiết kế tốt
• 7. Ứng dụng của stator
• 8. Hư hỏng stator thường gặp và cách kiểm tra
• 9. Câu hỏi thường gặp về stator

1. Stator là gì? Vị trí của stator trong động cơ điện

Trong máy điện quay, stator là phần cố định gắn với vỏ và chân đế, còn rotor là phần quay nằm bên trong, cách stator một khe hở không khí nhỏ. Điện năng từ lưới đi vào cuộn dây stator qua hộp đấu dây; stator biến dòng điện thành từ trường, từ trường truyền năng lượng qua khe hở sang rotor. Vì vậy phần lớn hư hỏng về điện của motor (chạm vỏ, chập vòng, cháy cuộn dây) xảy ra ở stator.

Máy biến áp không có stator hay rotor, vì không có phần quay; khái niệm stator chỉ dùng cho máy điện quay như động cơ, máy phát và một số cảm biến góc (resolver).

2. Cấu tạo của stator động cơ điện

• Vỏ máy (thân stator): bằng gang, nhôm đúc hoặc thép hàn, có gân tản nhiệt, chân đế hoặc mặt bích. Vỏ giữ lõi thép, đỡ hai nắp chứa ổ bi và quyết định cấp bảo vệ IP (thường IP55 cho motor công nghiệp).
• Lõi thép stator: ghép từ các lá thép silic dày 0,35–0,5 mm, mỗi lá phủ cách điện để hạn chế dòng điện xoáy và tổn hao sắt. Mặt trong lõi có rãnh đều nhau để đặt cuộn dây; số rãnh phổ biến của motor 3 pha nhỏ là 24, 36 hoặc 48 rãnh.
• Cuộn dây stator: dây đồng (đôi khi nhôm) tráng men cách điện, quấn thành các bối dây đặt trong rãnh, chia thành 3 pha lệch nhau 120° điện. Cách bố trí bối dây quyết định số cực của motor.
• Hệ thống cách điện: giấy cách điện lót rãnh, nêm rãnh, giấy phân pha ở đầu bối dây, dây buộc và lớp sơn tẩm sấy (varnish). Toàn bộ hệ thống được xếp cấp chịu nhiệt, phổ biến cấp F (155°C) và cấp H (180°C).
• Hộp đấu dây (cầu đấu): motor 3 pha thường có 6 đầu dây U1, V1, W1, U2, V2, W2 để đấu sao hoặc tam giác; một số motor có thêm đầu dây cảm biến nhiệt PTC, bộ sấy chống ẩm.

Xem thêm tổng quan về các loại động cơ tại bài Tổng quan về motor điện.

3. Nguyên lý hoạt động của stator

Ba cuộn dây pha đặt lệch nhau 120° trong không gian, được cấp ba dòng điện xoay chiều lệch nhau 120° về thời gian. Từ trường do từng pha tạo ra (theo hiện tượng dòng điện sinh từ trường) cộng lại thành một từ trường quay có biên độ không đổi, quay với tốc độ đồng bộ ns = 60 × f / p, trong đó f là tần số và p là số cặp cực. Từ trường quay cảm ứng dòng điện trong rotor, tương tác sinh lực điện từ làm rotor quay.

• Số cực và tốc độ: ở lưới 50 Hz, stator quấn 2 cực cho từ trường quay 3000 vòng/phút, 4 cực 1500, 6 cực 1000, 8 cực 750 vòng/phút.
• Đảo chiều quay: đổi chỗ hai trong ba dây pha cấp vào stator thì từ trường quay ngược lại, motor đảo chiều.
• Stator 1 pha: một cuộn dây chỉ tạo từ trường đập mạch, không tự khởi động được; phải có cuộn phụ lệch 90° điện nối qua tụ điện (hoặc vòng chập ở motor nhỏ) để tạo từ trường quay.

a. Đấu sao và đấu tam giác cuộn dây stator

Mỗi cuộn pha chịu một điện áp định mức nhất định. Cách đấu ở hộp cầu đấu phải khớp với điện áp lưới:

• Đấu sao motor 380/660 V vào lưới 380 V: mỗi cuộn chỉ nhận 220 V, mô-men còn khoảng 1/3, motor dễ quá dòng khi có tải.
• Đấu tam giác motor 220/380 V vào lưới 380 V: mỗi cuộn nhận 380 V, gấp 1,73 lần định mức, stator cháy rất nhanh.
• Khởi động sao – tam giác chỉ áp dụng cho motor có nhãn 380/660 V (chạy tam giác ở lưới 380 V).

4. Các loại stator theo kiểu động cơ

a. Stator động cơ không đồng bộ 3 pha

Loại phổ biến nhất, cuộn dây phân tán trong nhiều rãnh (quấn đồng tâm hoặc quấn xếp, một lớp hoặc hai lớp) để từ trường gần hình sin, ít rung ồn. Dùng cho motor 3 pha, motor giảm tốc, motor bơm, quạt.

b. Stator động cơ 1 pha

Có cuộn chính và cuộn phụ (cuộn đề). Motor 1 pha dùng tụ khởi động, tụ chạy hoặc cả hai; điện trở cuộn phụ thường lớn hơn cuộn chính, đây là cách nhận biết khi đo đồng hồ.

c. Stator động cơ đồng bộ, động cơ nam châm vĩnh cửu và BLDC

Motor PMSM dùng stator 3 pha tương tự motor không đồng bộ; motor BLDC, motor xe điện, quạt EC thường dùng cuộn dây tập trung quấn quanh từng răng, đầu bối ngắn, dễ tự động hóa sản xuất. Các loại này phải chạy qua driver hoặc biến tần.

d. Stator động cơ một chiều

Stator motor DC tạo từ trường kích thích tĩnh, bằng nam châm vĩnh cửu (motor nhỏ) hoặc cuộn kích từ quấn trên các cực lồi (motor DC công nghiệp).

5. Thông số của stator: điện áp, dòng điện, cấp cách điện

Các thông số trên nhãn motor thực chất mô tả cuộn dây stator:

• Dòng định mức thực tế thay đổi theo hãng, số cực và cấp hiệu suất; luôn lấy số trên nhãn motor để cài bảo vệ.
• Motor chạy biến tần nên có cách điện cấp F trở lên; cáp dài trên khoảng 50 m cần cuộn kháng hoặc bộ lọc dV/dt để bảo vệ cách điện stator.
• Với biến tần, chọn biến tần có dòng ra định mức lớn hơn hoặc bằng dòng định mức trên nhãn motor, không chỉ so theo kW.

6. Vai trò và ưu điểm của một stator thiết kế tốt

• Tạo từ trường quay đều, ít sóng hài, giúp motor chạy êm, ít rung và ồn từ.
• Lá thép mỏng, chất lượng cao giảm tổn hao sắt, góp phần đạt cấp hiệu suất IE2, IE3, IE4.
• Hệ số lấp đầy rãnh cao, dây đồng tiết diện lớn giảm tổn hao đồng, cuộn dây mát hơn.
• Hệ thống cách điện cấp F, tẩm sấy chân không giúp stator chịu ẩm, chịu rung và chịu xung điện áp của biến tần.
• Vỏ có gân tản nhiệt tốt giữ nhiệt độ cuộn dây thấp; cứ giảm khoảng 10°C nhiệt độ làm việc, tuổi thọ cách điện tăng khoảng gấp đôi.

7. Ứng dụng của stator

• Stator motor điện 3 pha trong máy bơm nước công nghiệp, quạt hút, máy nén khí, máy nghiền, băng tải, motor giảm tốc.
• Stator motor 1 pha trong máy giặt, quạt điện, máy bơm gia đình, máy nén tủ lạnh.
• Stator máy phát điện: trong máy phát xoay chiều, cuộn dây phần ứng nằm trên stator, điện được lấy ra trực tiếp từ đây.
• Stator motor BLDC, PMSM trong xe máy điện, ô tô điện, máy nén điều hòa inverter, quạt EC.
• Stator của servo motor, động cơ bước trong máy CNC, robot, máy in.

8. Hư hỏng stator thường gặp và cách kiểm tra

• Điện trở cách điện stator motor hạ thế dưới 1 MΩ: sấy khô trước khi đóng điện; motor tốt thường trên 100 MΩ.
• Điện trở ba cuộn pha chênh nhau quá khoảng 2–3%: nghi chập vòng hoặc mối nối kém.
• Đo cách điện phải tách cáp khỏi biến tần, khởi động mềm; điện áp đo của megohm kế có thể làm hỏng linh kiện bán dẫn.

9. Câu hỏi thường gặp về stator

a. Người sắp mua cần hỏi gì, xác minh gì

• Cuộn dây stator bằng đồng hay nhôm, có cần hỏi không? Nên hỏi. Cuộn dây đồng dẫn điện tốt hơn nhôm khoảng 1,6 lần, cùng kích thước cho tổn hao thấp hơn, chịu quá tải tốt hơn và dễ quấn lại khi cháy. Motor cuộn nhôm rẻ hơn nhưng khi sửa phải xử lý mối nối kỹ, nhiều thợ từ chối quấn lại. Kiểm tra nhanh bằng cách xem đầu bối dây qua khe nắp hoặc hỏi biên bản thử của hãng.
• Điện áp trên nhãn 220/380 V hay 380/660 V thì chọn loại nào? Ở lưới 3 pha 380 V, motor 380/660 V chạy tam giác và khởi động sao – tam giác được; motor 220/380 V chạy sao, không khởi động sao – tam giác được nhưng chạy được với biến tần 1 pha vào 3 pha 220 V ra khi đấu tam giác. Thông thường motor từ khoảng 4 kW trở lên làm loại 380/660 V, nhỏ hơn làm 220/380 V; hỏi rõ để khớp với tủ điện có sẵn.
• Cấp cách điện F và độ tăng nhiệt B nghĩa là gì khi mua? Cấp F cho phép cuộn dây làm việc tới 155°C; độ tăng nhiệt B (80 K) nghĩa là ở tải định mức cuộn dây chỉ nóng khoảng 80 K trên nhiệt độ môi trường 40°C, tức còn dư khoảng 25–35°C so với giới hạn. Motor "cách điện F, tăng nhiệt B" chịu quá tải ngắn hạn, môi trường nóng và chạy biến tần tốt hơn.
• Motor chạy biến tần cần hỏi gì thêm về stator? Hỏi motor có dùng dây men chịu xung (inverter duty) không, mức chịu điện áp đỉnh (ví dụ 1350–1600 V), có gắn cảm biến nhiệt PTC trong cuộn dây không. Với tải mô-men không đổi chạy lâu dưới 25–30 Hz, cần hỏi phương án quạt làm mát cưỡng bức.
• Có nên mua motor đã quấn lại stator? Motor quấn lại đúng số vòng, đúng cỡ dây, tẩm sấy tốt vẫn chạy ổn, nhưng hiệu suất thường giảm 0,5–1% nếu lõi thép bị nung nóng khi tháo dây cũ. Hãy yêu cầu số đo điện trở cách điện, điện trở ba pha và dòng không tải sau khi quấn.
• Số rãnh, số cực của stator có liên quan đến tốc độ không? Số cực do cách quấn quyết định, không phải số rãnh. Cùng lõi 36 rãnh có thể quấn 2, 4 hoặc 6 cực. Vì vậy khi mua, xác định tốc độ trên nhãn (ví dụ 1440 vòng/phút là 4 cực) chứ không đoán qua kích thước.

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

• Trước khi đấu điện lần đầu cần đo gì? Đo điện trở cách điện từng pha với vỏ bằng megohm kế 500 V (motor 380 V), giá trị nên trên 100 MΩ với motor mới, tối thiểu 1 MΩ; đo điện trở ba cuộn pha bằng đồng hồ có độ phân giải 0,01 Ω, ba giá trị phải gần bằng nhau. Motor lưu kho ẩm lâu ngày có thể cần sấy 70–80°C trong vài giờ.
• Đấu thanh nối trong hộp cầu đấu thế nào? Đấu sao: nối chung ba đầu U2, V2, W2, cấp nguồn vào U1, V1, W1. Đấu tam giác: nối U1–W2, V1–U2, W1–V2 bằng ba thanh đồng đặt thẳng hàng. Siết chặt đai ốc đúng lực, đầu cos ép chắc; mối nối lỏng làm nóng cầu đấu và có thể gây mất pha.
• Cài rơ le nhiệt và bảo vệ stator ra sao? Chỉnh rơ le nhiệt hoặc bảo vệ quá tải của biến tần bằng dòng định mức trên nhãn, ví dụ motor 4 kW 380 V khoảng 8,5 A thì đặt 8,5 A, không đặt dư "cho chắc". Bổ sung rơ le bảo vệ mất pha, lệch pha, nhất là với motor bơm ở xa trạm điện.
• Điện áp lưới dao động thì stator bị ảnh hưởng thế nào? Motor chịu được dao động khoảng ±5–10% điện áp định mức. Điện áp thấp 10% làm mô-men giảm khoảng 19% và dòng tăng khi tải nặng; lệch áp giữa các pha 2% có thể làm nhiệt độ cuộn dây tăng thêm khoảng 8%. Kiểm tra điện áp ba pha khi tải nặng nhất trong ngày.
• Lắp motor ở nơi ẩm, ngoài trời cần làm gì cho stator? Chọn IP55 trở lên, lắp mái che, hướng lỗ thoát nước ngưng tụ xuống dưới và mở lỗ này theo hướng dẫn. Với motor dừng lâu trong môi trường ẩm, dùng điện trở sấy chống ngưng tụ hoặc cấp điện áp thấp sấy cuộn dây khi dừng.
• Theo dõi nhiệt độ stator thế nào khi đang chạy? Dùng súng đo nhiệt chĩa vào thân vỏ: vỏ 60–80°C ở tải định mức là bình thường với motor cách điện F, vì cuộn dây bên trong nóng hơn vỏ khoảng 15–25°C. Motor có PTC nên đấu vào rơ le nhiệt điện trở hoặc ngõ vào PTC của biến tần để dừng tự động khi quá nhiệt.

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

• Đấu tam giác motor 220/380 V vào lưới 380 V. Mỗi cuộn pha chịu điện áp gấp 1,73 lần, dòng không tải tăng vọt, motor nóng và cháy trong thời gian ngắn. Cách sửa: đọc kỹ nhãn, motor 220/380 V ở lưới 380 V luôn đấu sao.
• Dùng đồng hồ vạn năng để "đo cách điện". Thang Ω của đồng hồ vạn năng chỉ dùng pin vài volt, không phát hiện được cách điện yếu chỉ bộc lộ ở điện áp làm việc. Cách sửa: dùng megohm kế 500 V hoặc 1000 V, đọc sau 1 phút đo.
• Kết luận stator tốt chỉ vì ba pha thông mạch. Chập vài vòng dây vẫn cho thông mạch, chỉ làm điện trở pha giảm rất ít. Cách sửa: so điện trở ba pha bằng đồng hồ đo điện trở thấp, đo dòng không tải ba pha, nếu nghi ngờ thì thử xung.
• Đặt rơ le nhiệt cao hơn dòng định mức để "đỡ nhảy". Rơ le không còn bảo vệ được stator khi quá tải hoặc mất pha. Cách sửa: tìm nguyên nhân quá dòng (tải nặng, điện áp thấp, kẹt cơ khí) và đặt đúng dòng định mức.
• Đo cách điện khi cáp vẫn nối với biến tần. Điện áp megohm kế có thể phá hỏng module IGBT và mạch đo của biến tần. Cách sửa: tháo cáp motor khỏi đầu ra biến tần, khởi động mềm trước khi đo cách điện motor và cáp.
• Quấn lại stator sai số vòng hoặc sai cỡ dây. Ít vòng hơn làm dòng không tải lớn, nóng; dây nhỏ hơn làm tổn hao đồng tăng. Cách sửa: ghi lại số liệu bối dây cũ (số vòng, cỡ dây, bước quấn, số mạch song song) trước khi tháo, đo dòng không tải sau quấn (thường 30–50% dòng định mức với motor 4 cực).

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

• Cần nắm những kiến thức nền nào? Điện xoay chiều 1 pha và 3 pha, điện áp pha và điện áp dây (380 V = √3 × 220 V), cách đấu sao – tam giác, công suất P = √3 × U × I × cosφ × η. Thêm phần từ học: dòng điện sinh từ trường, vật liệu từ, tổn hao dòng xoáy.
• Thứ tự học stator hợp lý? Học nhãn motor và cách đấu cầu đấu → cấu tạo lõi thép và cuộn dây → từ trường quay và tốc độ đồng bộ → sơ đồ trải bối dây (đồng tâm, xếp) → đo kiểm cách điện và điện trở → hư hỏng thường gặp. Sau đó mới học quấn lại motor.
• Thiết bị nào nên thực hành trước? Một motor 3 pha 0,75–1,5 kW tháo được nắp, một megohm kế, một đồng hồ đo điện trở thấp và một ampe kìm. Tự tay đấu sao, đấu tam giác và đo dòng không tải ở mỗi cách đấu sẽ giúp nhớ lâu hơn đọc sách.
• Bài thực hành gợi ý? Đo điện trở ba cuộn pha, đo cách điện từng pha với vỏ và giữa các pha, ghi lại; đấu sao chạy ở 380 V đo dòng không tải; đảo hai pha để thấy motor đổi chiều. Nếu có biến tần, chạy motor ở 25 Hz và 50 Hz để so tốc độ, dòng và nhiệt độ vỏ sau 30 phút.
• Nên học vẽ sơ đồ trải bối dây không? Nên. Vẽ được sơ đồ trải cho stator 24 rãnh 4 cực hoặc 36 rãnh 4 cực giúp hiểu vì sao từ trường quay, vì sao số cực quyết định tốc độ và giúp đọc sơ đồ khi sửa motor.
• Sau stator nên học tiếp gì? Rotor và hệ số trượt, đường đặc tính mô-men – tốc độ, các mạch khởi động, biến tần và bảo vệ motor (rơ le nhiệt, PTC, bảo vệ mất pha). Sau đó học stator của motor BLDC, PMSM để thấy khác biệt giữa cuộn dây phân tán và cuộn dây tập trung.

Stator là nơi điện năng bắt đầu chuyển thành từ trường, và cũng là nơi phần lớn sự cố điện của motor xảy ra. Đấu đúng điện áp, cài bảo vệ đúng dòng và kiểm tra cách điện định kỳ là ba việc giữ cho cuộn dây stator bền lâu.