Thomas Davenport Là Ai? Tiểu Sử Và Động Cơ Điện Một Chiều Năm 1837

Thomas Davenport (1802–1851) là thợ rèn người Mỹ ở bang Vermont, người chế tạo động cơ điện một chiều dùng nam châm điện và cổ góp năm 1834 và nhận bằng sáng chế số 132 ngày 25/2/1837 - bằng sáng chế đầu tiên của Hoa Kỳ cho một động cơ điện. Ông dùng motor của mình chạy mô hình tàu điện, máy công cụ và máy in, nhưng thất bại về thương mại vì nguồn điện duy nhất thời đó là pin hóa học quá đắt. Bài viết trình bày tiểu sử Thomas Davenport, cấu tạo và nguyên lý chiếc động cơ của ông, vị trí thực sự của ông trong lịch sử động cơ điện và bài học kỹ thuật còn nguyên giá trị.

Mục lục

• 1. Thomas Davenport là ai?
• 2. Tiểu sử Thomas Davenport
• 3. Động cơ điện của Thomas Davenport
• 4. Bằng sáng chế động cơ điện năm 1837
• 5. Những ứng dụng đầu tiên của động cơ Davenport
• 6. Vì sao động cơ của Davenport thất bại về thương mại
• 7. Davenport trong lịch sử động cơ điện
• 8. Câu hỏi thường gặp về Thomas Davenport

1. Thomas Davenport là ai?

Thomas Davenport không phải nhà khoa học được đào tạo bài bản. Ông là thợ rèn ở thị trấn Brandon, Vermont, tự học điện từ học sau khi tận mắt thấy một nam châm điện nâng được khối sắt nặng. Từ chiếc nam châm đó, ông tự chế ra động cơ quay liên tục, đăng ký bằng sáng chế và theo đuổi ý tưởng "máy móc chạy bằng điện" suốt phần đời còn lại. Ông thường được gọi là người đi tiên phong của động cơ điện một chiều tại Mỹ.

2. Tiểu sử Thomas Davenport

Davenport sinh ngày 9/7/1802 tại Williamstown, Vermont, trong một gia đình nông dân. Cha mất khi ông khoảng 10 tuổi; năm 14 tuổi ông học nghề rèn và sau đó mở lò rèn riêng ở Brandon. Năm 1827 ông kết hôn với Emily Goss, người về sau cùng ông làm thí nghiệm và ghi chép.

• Mốc 1834 là năm chế tạo, 1837 là năm được cấp bằng; hai mốc hay bị trộn lẫn.
• Bằng sáng chế đầu tiên của Mỹ không đồng nghĩa với động cơ điện đầu tiên của thế giới.
• Theo các tài liệu tiểu sử, lụa từ áo cưới của Emily được dùng bọc cách điện dây dẫn cho nam châm điện.

3. Động cơ điện của Thomas Davenport

a. Cấu tạo

Động cơ của Davenport gồm một bánh quay có gắn các nam châm điện trên nan hoa, đặt giữa các cực từ cố định. Dây quấn quanh lõi sắt mềm được bọc cách điện, dòng điện lấy từ bộ pin Volta (pin kẽm – đồng ngâm axit). Phần quan trọng nhất là cơ cấu đổi chiều dòng điện gắn trên trục: khi bánh quay tới vị trí nhất định, tiếp điểm đảo chiều dòng điện trong nam châm điện để lực hút, đẩy luôn cùng hướng.

b. Nguyên lý làm việc

Nam châm điện trên phần quay bị cực từ cố định hút về phía trước. Đúng lúc chúng thẳng hàng, cơ cấu đổi chiều đảo cực tính, lực hút chuyển thành lực đẩy, bánh tiếp tục quay theo quán tính và bị cực kế tiếp hút. Chu trình lặp lại tạo chuyển động quay liên tục. Đây chính là nguyên lý của cổ góp trong motor điện một chiều có chổi than ngày nay.

c. So với motor DC hiện đại

• Davenport đã có đủ ba thành phần cốt lõi: phần quay, từ trường cố định, cơ cấu đổi chiều.
• Khác biệt lớn nhất so với ngày nay nằm ở nguồn điện và vật liệu.
• Motor DC không chổi than hiện đại thay tiếp điểm cơ khí bằng mạch điện tử, cùng ý tưởng đảo chiều dòng điện đúng thời điểm.

4. Bằng sáng chế động cơ điện năm 1837

Theo nhiều tài liệu tiểu sử, hồ sơ và mô hình nộp lần đầu bị hủy trong vụ cháy Văn phòng Sáng chế Hoa Kỳ cuối năm 1836, buộc ông phải làm lại. Ngày 25/2/1837, Davenport được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 132 với tên "Improvement in Propelling Machinery by Magnetism and Electro-Magnetism" (cải tiến máy móc vận hành bằng từ và điện từ). Trước khi cấp bằng, động cơ của ông được các giáo sư như Amos Eaton (Viện Rensselaer) và Benjamin Silliman (Đại học Yale) xem xét và đánh giá tích cực.

5. Những ứng dụng đầu tiên của động cơ Davenport

• Mô hình xe chạy điện: xe nhỏ chạy trên đường ray tròn, nhận điện từ pin, được coi là một trong những mô hình phương tiện chạy điện sớm nhất.
• Máy công cụ: chạy máy khoan, máy tiện gỗ nhỏ trong xưởng.
• Máy in: năm 1840 ông in tờ báo về điện từ và cơ khí bằng máy in chạy động cơ điện, một trong những ấn phẩm định kỳ đầu tiên in bằng sức điện.
• Trình diễn công khai: ở New York, Boston, Philadelphia để kêu gọi vốn.

6. Vì sao động cơ của Davenport thất bại về thương mại

• Không có lưới điện: máy phát điện công suất lớn chỉ xuất hiện sau khi nguyên lý dynamo được phát biểu năm 1866–1867. Thời Davenport, nguồn duy nhất là pin hóa học.
• Chi phí năng lượng: pin tiêu hao kẽm và axit, đắt hơn rất nhiều so với than đá cho máy hơi nước cùng công suất.
• Công suất nhỏ, hiệu suất thấp: mạch từ hở, khe hở không khí lớn, vật liệu cách điện kém.
• Khủng hoảng tài chính năm 1837 ở Mỹ làm các nhà đầu tư rút lui.
• Cạnh tranh và tranh luận: nhiều người cùng thời như Charles Grafton Page cũng chế tạo motor; Davenport thiếu vốn và kênh thương mại để biến mẫu thành sản phẩm.

Davenport mất năm 1851 khi chưa đầy 49 tuổi, trong cảnh nợ nần. Phải mất thêm vài thập kỷ, khi máy phát dynamo và lưới điện ra đời, động cơ điện mới cạnh tranh được với máy hơi nước.

7. Davenport trong lịch sử động cơ điện

• Davenport không phải người đầu tiên tạo chuyển động quay bằng điện, nhưng là người đầu tiên được cấp bằng sáng chế động cơ điện ở Mỹ.
• Các mốc trên phát triển song song, nhiều người không biết công trình của nhau.
• Xem thêm: Michael Faraday, Peter Barlow, Ányos Jedlik, Werner von Siemens.

Bức tranh đầy đủ về sự phát triển của động cơ điện có tại bài tổng quan về motor điện.

8. Câu hỏi thường gặp về Thomas Davenport

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

• Mua motor DC chổi than, loại kế thừa trực tiếp ý tưởng của Davenport, cần hỏi gì? Điện áp định mức (12V, 24V, 48V, 90V, 180V…), dòng định mức và dòng khởi động, tốc độ không tải và tốc độ định mức, mô-men định mức. Hỏi thêm tuổi thọ chổi than (thường vài nghìn giờ) và chổi có thay được không, vì đây là chi tiết mòn duy nhất của motor.
• Dùng motor DC chạy ắc quy cần xác minh gì về nguồn? Đúng bài học của Davenport: chi phí và dung lượng nguồn quyết định tính khả thi. Tính dòng trung bình × thời gian chạy để ra Ah cần thiết; ví dụ motor 24V 500W chạy 2 giờ cần khoảng 42 Ah, cộng dự phòng để không xả sâu ắc quy, thường chọn 60–80 Ah.
• Motor DC chổi than hay không chổi than (BLDC)? Motor chổi than rẻ, điều khiển đơn giản, chỉ cần nguồn DC; motor BLDC hiệu suất cao hơn, ít bảo trì nhưng bắt buộc có driver điện tử. Hỏi người bán motor đã kèm driver chưa và driver có bảo vệ quá dòng, quá nhiệt không.
• Cần xác minh gì về cách điện cuộn dây? Thời Davenport dây bọc lụa nên dễ chạm chập; motor hiện nay dùng dây men cấp F (155°C) hoặc H (180°C). Hỏi cấp cách điện và cấp bảo vệ IP, nhất là motor DC dùng ngoài trời, xe điện, thiết bị nông nghiệp.
• Motor DC giảm tốc cần hỏi thêm gì? Tỉ số truyền, mô-men ở trục ra, tải hướng kính cho phép và loại hộp số (bánh răng thẳng, hành tinh, trục vít). Mô-men trục ra xấp xỉ mô-men motor × tỉ số truyền × hiệu suất hộp số, nên cần hiệu suất hộp số để tính đúng.
• Có nên mua mô hình motor Davenport hoặc bánh xe Barlow để dạy học? Nên chọn bộ có nguồn điện áp thấp (dưới 12V), có giới hạn dòng, vì mô hình motor đơn giản gần như là ngắn mạch nguồn. Bánh xe Barlow kiểu cũ dùng thủy ngân độc hại, nên chọn phiên bản dùng nước muối hoặc tiếp điểm trượt.

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

• Chọn dây dẫn cho motor DC điện áp thấp thế nào? Điện áp thấp thì dòng lớn, sụt áp trên dây đáng kể. Motor 24V 500W có dòng khoảng 21 A; với dây đồng 4 mm² dài 5 m (đi và về 10 m) sụt áp khoảng 0.9V, tức gần 4%. Dây dài hơn cần tăng tiết diện.
• Đảo chiều motor DC như thế nào? Với motor nam châm vĩnh cửu, đảo cực tính nguồn cấp vào phần ứng. Với motor kích từ, đảo chiều dòng điện ở phần ứng hoặc ở cuộn kích từ, không đảo cả hai. Nên dừng hẳn motor trước khi đảo để tránh dòng đỉnh lớn.
• Điều chỉnh tốc độ motor DC tối ưu? Dùng bộ điều khiển PWM thay vì điện trở nối tiếp; điện trở biến phần lớn năng lượng thành nhiệt - đúng vấn đề lãng phí năng lượng mà các motor thời kỳ đầu gặp phải.
• Bảo vệ motor DC chạy ắc quy thế nào? Lắp cầu chì hoặc áp tô mát DC gần cực dương ắc quy, chọn khoảng 1.25–1.5 lần dòng định mức; bộ điều khiển nên có giới hạn dòng khởi động và ngắt khi điện áp ắc quy thấp.
• Kéo dài tuổi thọ chổi than và cổ góp? Giữ cổ góp sạch, không dính dầu; kiểm tra chổi khi mòn còn khoảng 1/3 chiều dài; tia lửa nhiều ở cổ góp là dấu hiệu quá tải hoặc chổi mòn, cần xử lý sớm.
• Khi nào nên thay motor DC bằng motor AC và biến tần? Khi có sẵn lưới điện 3 pha và cần công suất từ vài kW trở lên, motor không đồng bộ 3 pha kết hợp biến tần thường bền hơn, ít bảo trì hơn motor DC chổi than cùng công suất.

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

• Cho rằng Davenport phát minh ra động cơ điện đầu tiên trên thế giới. Trước ông đã có thí nghiệm quay điện từ của Faraday (1821), bánh xe Barlow (1822), thiết bị của Jedlik (1827–1828), motor cổ góp của Sturgeon (1832) và Jacobi (1834). Cách sửa: ghi "bằng sáng chế động cơ điện đầu tiên của Hoa Kỳ".
• Cho rằng Charles Grafton Page là cộng sự của Davenport. Page là nhà nghiên cứu điện từ cùng thời, làm việc độc lập và có lúc phê phán, cạnh tranh với Davenport. Cách sửa: không gộp hai người vào cùng một nhóm nghiên cứu.
• Nối motor DC trực tiếp vào ắc quy không có bảo vệ. Dòng khởi động có thể gấp nhiều lần dòng định mức, làm nóng dây, cháy tiếp điểm công tắc. Cách sửa: thêm cầu chì, bộ khởi động mềm hoặc bộ điều khiển PWM có giới hạn dòng.
• Dùng dây quá nhỏ cho motor DC điện áp thấp. Sụt áp trên dây làm motor yếu, ắc quy nhanh cạn. Cách sửa: tính sụt áp, giữ dưới khoảng 3–5% và đặt ắc quy gần motor.
• Đánh giá motor chỉ bằng công suất mà bỏ qua chi phí năng lượng. Davenport thất bại vì năng lượng từ pin quá đắt; ngày nay, chọn motor hiệu suất thấp cho tải chạy liên tục cũng làm tiền điện vượt xa giá motor. Cách sửa: tính chi phí điện theo giờ chạy mỗi năm khi so sánh.
• Đặt sai mốc thời gian 1834 và 1837. 1834 là năm chế tạo, 1837 là năm cấp bằng sáng chế. Cách sửa: ghi rõ từng sự kiện khi viết tài liệu, bài giảng.

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

• Khái niệm nào cần học trước để hiểu động cơ của Davenport? Nam châm điện và lực từ: từ trường của cuộn dây có lõi sắt, cực tính theo quy tắc nắm tay phải, lực hút đẩy giữa các cực từ. Sau đó học lực Lorentz F = B·I·L, nền tảng tính mô-men của mọi motor.
• Nên tìm hiểu sản phẩm nào trước? Motor DC nam châm vĩnh cửu có chổi than cỡ nhỏ (6–24V): rẻ, dễ tháo, thấy rõ phần ứng, cổ góp, chổi than và nam châm. Sau đó mới chuyển sang motor BLDC và motor không đồng bộ 3 pha.
• Học theo thứ tự nào? Điện từ cơ bản → nam châm điện → motor DC có cổ góp (đặc tính tốc độ – mô-men, sức phản điện động) → điều khiển PWM → motor BLDC và driver → motor xoay chiều và biến tần. Thứ tự này đi đúng theo lịch sử phát triển kỹ thuật.
• Bài thực hành gợi ý? Tự chế một motor đơn giản bằng pin 1.5V, nam châm và cuộn dây đồng tráng men (motor kiểu "khung dây cạo một nửa lớp men"), rồi tháo một motor DC 12V, đo điện trở phần ứng, đo dòng không tải và dòng khi ghì trục để tính sức phản điện động.
• Cần đọc thêm gì về lịch sử? So sánh động cơ của Jacobi, Davenport, Page để thấy các hướng thiết kế khác nhau; đọc về nguyên lý dynamo của Siemens để hiểu vì sao motor chỉ phát triển khi có nguồn điện rẻ.
• Học tiếp gì sau motor DC? Bộ điều khiển motor DC (cầu H, PWM, đo dòng), ắc quy lithium và hệ thống quản lý pin, sau đó là motor kéo cho xe điện - sự tiếp nối hiện đại của mô hình tàu điện mà Davenport trình diễn từ năm 1835.

Thomas Davenport là ví dụ hiếm có về người thợ tự học đi trước thời đại: ông có đủ ý tưởng của một motor DC hoàn chỉnh nhưng thiếu nguồn điện rẻ. Câu chuyện của ông nhắc rằng một động cơ chỉ thực sự có giá trị khi cả hệ thống nguồn, điều khiển và chi phí vận hành đều hợp lý.