Tìm hiểu về động cơ điện, cấu tạo, ứng dụng, cách hoạt động

Tìm hiểu về động cơ điện, cấu tạo, ứng dụng, cách hoạt động

Trường
03, tháng 2, 2021

Động cơ điện ngày nay là một trong những phát minh vĩ đại của loài người, nó không chỉ ứng dụng cho hiện tại mà cho cả quá khứ và tương lai..

tim-hieu-ve-dong-co-dien

Động cơ điện phổ biến như thế nào?

Chỉ cần nhấp vào một công tắc và nhận được nguồn điện ngay lập tức, Bạn có thể tìm thấy chúng ở mọi thứ, từ tàu điện đến ô tô điều khiển từ xa và bạn có thể ngạc nhiên về mức độ phổ biến của chúng.

Hiện tại có bao nhiêu động cơ điện trong phòng với bạn? Có thể có hai trong máy tính của bạn để bắt đầu, một quay ổ cứng xung quanh và một cái khác cấp nguồn cho quạt làm mát. Nếu đang ngồi trong phòng ngủ, bạn sẽ thấy động cơ trong máy sấy tóc và nhiều đồ chơi; trong phòng tắm, chúng là quạt vắt, và máy cạo râu điện; trong nhà bếp, động cơ có trong mọi thiết bị từ máy giặt quần áo và máy rửa bát đến máy xay cà phê, lò vi sóng và máy mở lon điện.

Hơn thế nữa, động cơ điện áp dụng phổ biến trong các ngành công nghiếp, máy móc thiết bị như ô tô, máy xúc, máy công trình, xe nâng hàng, xe nâng điện, thiết bị nhà kho…

Động cơ điện đã chứng tỏ mình là một trong những phát minh vĩ đại nhất mọi thời đại.

tim-hieu-ve-dong-co-dien

Tìm hiểu về các hoạt động của động cơ điện

Ngay cả những động cơ điện nhỏ cũng nặng đến kinh ngạc. Đó là bởi vì chúng được đóng gói bằng đồng quấn chặt và nam châm nặng. Thứ màu đồng về phía trước trục, với các khe hở được cắt vào đó, là cổ góp giữ cho động cơ quay theo cùng một hướng.

Làm thế nào để điện từ làm cho một động cơ chuyển động?

Về lý thuyết động cơ điện vận hành theo quy tắc bàn tay trái của Fleming

Quy tắc thuận tay trái của Fleming

Quy tắc bàn tay trái (động cơ) của Fleming cho thấy dòng điện, trường và chuyển động trong động cơ có liên quan như thế nào.

Bạn có thể tìm ra hướng mà dây sẽ nhảy bằng cách sử dụng một phương pháp ghi nhớ tiện dụng (hỗ trợ trí nhớ) được gọi là Quy tắc tay trái của Fleming (đôi khi được gọi là Quy tắc động cơ).

Đưa ngón cái, ngón thứ nhất và ngón thứ hai của bàn tay trái ra sao cho cả ba đều ở góc vuông. Nếu bạn trỏ ngón tay SeCond theo hướng Dòng điện (chảy từ cực dương sang cực âm của pin) và ngón tay Thứ nhất theo hướng Trường (dòng chảy từ cực Bắc sang cực Nam của nam châm ), thuMb của bạn sẽ hiển thị hướng mà dây di chuyển.

Đó là ...

Ngón tay đầu tiên = Trường

Ngón tay SeCond = Hiện tại

ThuMb = Chuyển động

Một từ nhanh về hiện tại

Nếu bạn bối rối khi tôi nói rằng dòng điện chạy từ dương sang âm, đó chỉ là một quy ước lịch sử. Những người như Benjamin Franklin, người đã giúp tìm ra bí ẩn về điện vào thế kỷ 18, tin rằng đó là một dòng điện tích dương, vì vậy nó chuyển từ dương sang âm. Chúng tôi gọi ý tưởng này là dòng điện thông thường và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay trong những thứ như Quy tắc tay trái của Fleming. Bây giờ chúng ta có những ý tưởng tốt hơn về cách thức hoạt động của điện, chúng ta có xu hướng nói về dòng điện như một dòng electron, từ âm sang dương, ngược hướng với dòng điện thông thường. Khi bạn đang cố gắng tìm ra chuyển động quay của động cơ hoặc máy phát điện, hãy nhớ rằng dòng điện có nghĩa là dòng điện thông thường chứ không phải dòng điện tử.

tim-hieu-ve-dong-co-dien

Ý tưởng cơ bản của động cơ điện thực sự rất đơn giản: bạn đặt điện vào nó ở một đầu và một trục (thanh kim loại) quay ở đầu kia cho bạn sức mạnh để điều khiển một loại máy nào đó. Điều này hoạt động như thế nào trong thực tế? Chính xác thì làm thế nào để bạn chuyển đổi điện năng thành chuyển động? Để tìm câu trả lời cho điều đó, chúng ta phải quay ngược thời gian gần 200 năm.

Giả sử bạn lấy một đoạn dây điện bình thường, tạo thành một vòng dây lớn và đặt nó vào giữa các cực của một nam châm hình móng ngựa vĩnh cửu, mạnh mẽ. Bây giờ nếu bạn kết nối hai đầu dây với pin, dây sẽ nhảy lên trong giây lát. Thật ngạc nhiên khi bạn nhìn thấy điều này lần đầu tiên. Nó giống như phép thuật! Nhưng có một lời giải thích hoàn toàn khoa học. Khi một dòng điện bắt đầu chạy dọc theo một dây dẫn, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh nó. Nếu bạn đặt dây dẫn gần nam châm vĩnh cửu, từ trường tạm thời này tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu. Bạn sẽ biết rằng hai nam châm đặt gần nhau hút hoặc đẩy nhau. Theo cách tương tự, từ tính tạm thời xung quanh dây dẫn hút hoặc đẩy từ tính vĩnh cửu khỏi nam châm, và đó là nguyên nhân khiến dây nhảy lên.

tim-hieu-ve-dong-co-dien

Cách động cơ điện hoạt động về lý thuyết

Ảnh: Một thợ điện sửa động cơ điện trên tàu sân bay. Kim loại sáng bóng mà anh ta đang sử dụng có thể trông giống như vàng, nhưng nó thực sự là đồng, một chất dẫn điện tốt và rẻ hơn nhiều. Ảnh của Jason Jacobowitz do Hải quân Hoa Kỳ cung cấp.

Mối liên hệ giữa điện, từ tính và chuyển động ban đầu được phát hiện vào năm 1820 bởi nhà vật lý người Pháp André-Marie Ampère (1775–1867) và đó là khoa học cơ bản đằng sau động cơ điện. Nhưng nếu chúng ta muốn biến khám phá khoa học tuyệt vời này thành một công nghệ thực tế hơn để cung cấp năng lượng cho máy cắt cỏ và bàn chải đánh răng điện của chúng ta, chúng ta phải tiến xa hơn một chút. Các nhà phát minh đã làm được điều đó là người Anh Michael Faraday (1791–1867) và William Sturgeon (1783–1850) và Joseph Henry (1797–1878) người Mỹ. Đây là cách họ đạt được phát minh tuyệt vời của mình.

Giả sử chúng ta uốn sợi dây của mình thành một vòng hình chữ U vuông vắn để có hai dây dẫn song song chạy qua trong từ trường. Một trong số chúng đưa dòng điện đi qua dây dẫn và một trong số chúng đưa dòng điện trở lại. Bởi vì dòng điện chạy theo các hướng ngược nhau trong các dây dẫn, Quy tắc Bàn tay Trái của Fleming cho chúng ta biết hai dây sẽ chuyển động ngược chiều nhau. Nói cách khác, khi chúng ta bật điện, một trong các dây dẫn sẽ di chuyển lên trên và dây kia sẽ di chuyển xuống dưới.

Nếu cuộn dây có thể tiếp tục chuyển động như vậy, nó sẽ quay liên tục — và chúng ta sẽ rất tốt trên con đường chế tạo động cơ điện. Nhưng điều đó không thể xảy ra với thiết lập hiện tại của chúng tôi: các dây sẽ nhanh chóng bị rối. Không chỉ vậy, nếu cuộn dây có thể quay đủ xa, điều khác sẽ xảy ra. Khi cuộn dây đến vị trí thẳng đứng, nó sẽ lật lên, do đó dòng điện sẽ chạy qua nó theo chiều ngược lại. Bây giờ các lực trên mỗi bên của cuộn dây sẽ đảo ngược. Thay vì quay liên tục theo cùng một hướng, nó sẽ di chuyển ngược lại hướng mà nó vừa đến! Hãy tưởng tượng một chiếc tàu điện với một động cơ như thế này: nó sẽ tiếp tục chạy tới và lui tại chỗ mà không bao giờ thực sự đi đâu cả.

Cách động cơ điện hoạt động trong thực tế

Có hai cách để khắc phục vấn đề này. Một là sử dụng một loại dòng điện đổi chiều theo chu kỳ, được gọi là dòng điện xoay chiều (AC). Đối với các loại động cơ nhỏ, chạy bằng pin mà chúng ta sử dụng xung quanh nhà, giải pháp tốt hơn là thêm một bộ phận được gọi là cổ góp vào các đầu của cuộn dây. (Đừng lo lắng về cái tên kỹ thuật vô nghĩa: từ "giao hoán" hơi cổ điển này hơi giống từ "đi làm". Nó chỉ đơn giản có nghĩa là thay đổi qua lại giống như cách đi làm có nghĩa là đi lại .) Ở dạng đơn giản nhất, cổ góp là một vòng kim loại được chia thành hai nửa riêng biệt và công việc của nó là đổi chiều dòng điện trong cuộn dây mỗi khi cuộn dây quay được nửa vòng. Một đầu của cuộn dây được gắn vào mỗi nửa cổ góp. Dòng điện từ pin kết nối với các cực điện của động cơ. Những nguồn này cung cấp năng lượng điện vào cổ góp thông qua một cặp kết nối lỏng lẻo được gọi là bàn chải, được làm từ các mảnh than chì (carbon mềm tương tự như "chì" của bút chì) hoặc các đoạn kim loại mỏng (như tên gọi) "bàn chải" chống lại cổ góp. Với cổ góp tại chỗ, khi dòng điện chạy qua mạch, cuộn dây sẽ quay liên tục theo cùng một chiều.

Sơ đồ nhãn của một động cơ điện cho thấy các bộ phận thành phần chính. Hoạt ảnh hiển thị cách một động cơ quay.

Cách thức hoạt động trong thực tế. Lưu ý cách cổ góp đổi chiều dòng điện mỗi khi cuộn dây quay được nửa vòng. Điều này có nghĩa là lực ở mỗi bên của cuộn dây luôn đẩy theo cùng một hướng, điều này giữ cho cuộn dây quay theo chiều kim đồng hồ.

Một động cơ thử nghiệm, đơn giản như thế này không có khả năng tạo ra nhiều công suất. Chúng ta có thể tăng lực quay (hoặc mômen xoắn) mà động cơ có thể tạo ra theo ba cách: hoặc chúng ta có thể có một nam châm vĩnh cửu mạnh hơn, hoặc chúng ta có thể tăng cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, hoặc chúng ta có thể chế tạo cuộn dây để nó có nhiều "lượt" (vòng) của dây rất mỏng thay vì một "lượt" của dây dày. Trong thực tế, một động cơ cũng có nam châm vĩnh cửu cong theo hình tròn nên nó gần như chạm vào cuộn dây quay bên trong nó. Nam châm và cuộn dây càng gần nhau thì lực mà động cơ có thể tạo ra càng lớn.

Mặc dù chúng tôi đã mô tả một số bộ phận khác nhau, bạn có thể nghĩ về một động cơ chỉ có hai thành phần thiết yếu:

Có một nam châm vĩnh cửu (hoặc các nam châm) xung quanh mép của vỏ động cơ vẫn tĩnh, vì vậy nó được gọi là stator của động cơ.

Bên trong stato, có cuộn dây, được gắn trên một trục quay xung quanh với tốc độ cao và đây được gọi là rôto. Rôto cũng bao gồm cổ góp.

tim-hieu-ve-dong-co-dien

Động cơ lắp trên xe nâng điện

Các loại động cơ điện ngày nay

Động cơ điện vạn năng

Động cơ DC như thế này rất phù hợp cho đồ chơi chạy bằng pin (những thứ như xe lửa mô hình, ô tô điều khiển bằng sóng radio hoặc máy cạo râu bằng điện), nhưng bạn không tìm thấy chúng trong nhiều thiết bị gia dụng. Các thiết bị nhỏ (những thứ như máy xay cà phê hoặc máy xay thực phẩm bằng điện) có xu hướng sử dụng động cơ được gọi là động cơ đa năng, có thể được cấp nguồn bằng AC hoặc DC. Không giống như động cơ DC đơn giản, động cơ đa năng có nam châm điện, thay vì nam châm vĩnh cửu và nó lấy năng lượng từ nguồn DC hoặc AC mà bạn cấp vào:

Khi bạn cấp nguồn điện một chiều, nam châm điện hoạt động giống như một nam châm vĩnh cửu thông thường và tạo ra từ trường luôn hướng theo cùng một hướng. Cổ góp đảo chiều dòng điện cuộn dây mỗi khi cuộn dây lật, giống như trong động cơ điện một chiều đơn giản, vì vậy cuộn dây luôn quay cùng chiều.

Tuy nhiên, khi bạn cấp nguồn xoay chiều, dòng điện chạy qua nam châm điện và dòng điện chạy qua cuộn dây đều ngược chiều, chính xác theo bước, do đó lực tác động lên cuộn dây luôn cùng chiều và động cơ luôn quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều. theo chiều kim đồng hồ. Còn cổ góp thì sao? Tần số của dòng điện thay đổi nhanh hơn nhiều so với tốc độ quay của động cơ và vì trường và dòng điện luôn đồng hành, nên thực tế cổ góp ở vị trí nào tại bất kỳ thời điểm nào không quan trọng.

Động cơ vạn năng hoạt động như thế nào?

Các động cơ vạn năng hoạt động với nguồn điện AC. Nguồn điện cung cấp năng lượng cho cả từ trường và cuộn dây quay. Với nguồn điện một chiều, động cơ đa năng hoạt động giống như động cơ DC thông thường, như trên. Với nguồn điện xoay chiều, cả từ trường và dòng điện cuộn dây đều thay đổi hướng mỗi khi dòng điện cung cấp đổi chiều. Điều đó có nghĩa là lực tác dụng lên cuộn dây luôn hướng cùng chiều.

Các bộ phận chính bên trong động cơ cỡ trung bình của máy xay cà phê, có thể chạy bằng DC hoặc AC. Nam châm điện màu xám bao quanh mép là stato (phần tĩnh) và được cung cấp năng lượng bởi các cuộn dây màu cam. Cũng lưu ý các khe trong cổ góp và các chổi than đẩy vào nó, cung cấp năng lượng cho rôto (bộ phận quay). Động cơ cảm ứng trong những thứ như tàu điện lớn hơn và mạnh hơn nhiều lần và luôn hoạt động bằng cách sử dụng dòng điện xoay chiều cao áp (AC), thay vì dòng điện một chiều điện áp thấp (DC) hoặc điện áp thấp vừa phải của gia đình. cung cấp năng lượng cho động cơ vạn năng.

tim-hieu-ve-dong-co-dien

Các loại động cơ điện khác

Trong động cơ một chiều và động cơ phổ thông đơn giản, rôto quay bên trong stato. Rôto là một cuộn dây nối với nguồn điện và stato là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện. Động cơ xoay chiều lớn (được sử dụng trong những thứ như máy móc trong nhà máy) hoạt động theo một cách hơi khác: chúng cho dòng điện xoay chiều qua các cặp nam châm trái dấu để tạo ra một từ trường quay, từ trường này "cảm ứng" (tạo ra) từ trường trong rôto của động cơ, gây ra nó quay xung quanh. Bạn có thể đọc thêm về điều này trong bài viết của chúng tôi về động cơ cảm ứng xoay chiều. Nếu bạn lấy một trong những động cơ cảm ứng này và "mở" nó ra, để stato được bố trí thành một đường dài liên tục, rôto có thể lăn dọc theo nó theo một đường thẳng. Thiết kế khéo léo này được biết đến như một động cơ tuyến tính và bạn sẽ tìm thấy nó trong những thứ như máy móc nhà máy và đường sắt "maglev" (bay từ trường) nổi.

Một thiết kế thú vị khác là động cơ DC (BLDC) không chổi than. Stato và rôto hoán đổi hiệu quả, với nhiều cuộn dây sắt tĩnh ở tâm và nam châm vĩnh cửu quay xung quanh chúng, cổ góp và chổi than được thay thế bằng một mạch điện tử. Bạn có thể đọc thêm trong bài viết chính của chúng tôi về động cơ trung tâm. Động cơ bước, quay qua các góc được điều khiển chính xác, là một biến thể của động cơ DC không chổi than.

Xem thêm bài biết

Các loại pin ắc quy cho xe nâng điện, làm sao để chọn ắc quy phù hợp?

Viết bình luận:
"