Động cơ DC có chổi than là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng thực tế

Ngày nay, có nhiều loại động cơ được con người sử dụng phổ biến. Các động cơ có khả năng chuyển đổi năng lượng điện trở thành năng lượng cơ học là một trong số đó. Đặc biệt là động cơ không chổi than có hiệu suất làm việc cao cũng như khả năng điều khiển tuyệt vời, nhờ đó mà nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Cùng tìm hiểu ngay về Động cơ có chổi than qua bài viết dưới đây nhé! 

Động cơ DC có chổi than là gì?

Động cơ DC có chổi than - Brush DC Motor là động cơ điện chạy bằng nguồn điện một chiều, sử dụng chổi than để chuyển mạch bên trong. Động cơ DC chổi than cung cấp khả năng điều khiển tốc độ chính xác và được biết đến với tỷ số mô-men xoắn trên quán tính đặc biệt cao, có khả năng cung cấp mô-men xoắn cao gấp ba đến bốn lần mô-men xoắn định mức. Khi cần, động cơ DC chổi than có thể cung cấp mô-men xoắn cao gấp năm lần mà không bị chết máy. Là một trong những động cơ thương mại đầu tiên, Động cơ DC chổi than vẫn được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng nhờ khả năng thay đổi tỷ số tốc độ-mô-men xoắn theo hầu hết mọi cách.

Bên trong, động cơ DC chổi than bao gồm các thành phần sau: trục, phần ứng/rôto, cuộn dây rôto, bộ chuyển mạch, stato, nam châm và chổi than. Chổi than được gắn vào hai đầu cực, nhô ra khỏi nắp đầu cuối của thân động cơ (đối diện với trục động cơ), để kết nối với nguồn điện DC bên ngoài.

Kiến thức cơ bản về động cơ DC chổi than

Động cơ DC chổi than hoạt động dựa trên hiện tượng điện từ. Khi điện áp được đặt giữa hai đầu cực, một tốc độ tỷ lệ thuận sẽ được truyền đến trục của động cơ. Động cơ bao gồm stato (bao gồm vỏ, nam châm vĩnh cửu và chổi than) và rôto (bao gồm trục/trục đầu ra, cuộn dây và bộ chuyển mạch). Stato đứng yên, trong khi rôto quay so với stato.

Thiết kế của động cơ DC chổi than khá đơn giản, ở chỗ từ trường vĩnh cửu được tạo ra trong stato bằng một trong hai cách: nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ. Nếu từ trường được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu, động cơ DC chổi than được gọi là động cơ DC nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet DC motor - PMDC), và nếu được tạo ra bởi cuộn dây điện từ, thì thường được gọi là động cơ DC chổi than kích từ song song (Shunt-wound brush DC motor - SWDC). Ngày nay, nhờ hiệu quả về chi phí và độ tin cậy, động cơ PMDC là động cơ được lựa chọn cho hầu hết các ứng dụng có công suất lên đến khoảng 2,0 mã lực.

Đối diện với từ trường stato là từ trường phần ứng, một từ trường được tạo ra bởi từ thông điện từ biến thiên đến từ các cuộn dây nằm trên rôto. Các cực từ của từ trường phần ứng (rôto) sẽ cố gắng xếp thẳng hàng với các cực từ đối diện được tạo ra bởi từ trường stato (ví dụ: rôto Nam -> stato Bắc; rôto Bắc -> stato Nam), khiến rôto quay. Điện được truyền đến các cuộn dây rôto thông qua bộ chuyển mạch, tạo ra tiếp xúc trượt với chổi than nằm trong stato.

Giới thiệu về Chổi than

Chổi than là một thành phần quan trọng của Động cơ DC chổi than, có chức năng dẫn dòng điện giữa nguồn điện một chiều đến các cuộn dây rôto qua vòng cổ góp. Nói cách khác, chổi than rất quan trọng vì chúng dẫn dòng điện giữa các dây tĩnh bên ngoài động cơ và các bộ phận chuyển động bên trong động cơ. Bên trong động cơ, các đầu nối được gắn vào chổi than, thường được gắn lò xo để đảm bảo tiếp xúc liên tục với vòng cổ góp. Bằng cách này, chổi than trượt vào vòng cổ góp khi nó quay, dẫn dòng điện thông qua tiếp xúc "trượt" này. Chổi than của Động cơ DC chổi than thường được làm bằng than chì, vừa dẫn điện vừa bôi trơn.

Chổi than được coi là điểm yếu nhất. Chúng rất dễ bị mài mòn, đặc biệt là khi động cơ vận hành vượt quá thông số cho phép. Việc sử dụng chổi than là một nhược điểm của Động cơ DC chổi than, nhưng may mắn thay, chổi than có thể dễ dàng thay thế.

Động cơ DC chổi than hoạt động như thế nào?

Như thể hiện trong sơ đồ trên, stato của động cơ DC chổi than bao gồm hai nam châm vĩnh cửu cong có cực tính ngược nhau. Các nam châm stato này đứng yên so với vỏ động cơ. Phần ứng bên trong của động cơ là một vòng kim loại, được kết nối với bộ chuyển mạch vòng chia đôi – một vòng kim loại có các khe hở ở hai bên đối diện. Các khe hở này rất quan trọng vì chúng tạo ra các đoạn cách điện bên trong vòng chuyển mạch, và mỗi đoạn được kết nối với một trong hai bên của vòng chuyển mạch. Điều này cho phép dòng điện chạy qua vòng chuyển mạch theo một hướng.

Khi vòng lặp phần ứng được cấp điện, nó trở thành một nam châm điện với từ trường riêng, các cực của nó sẽ cố gắng xếp thẳng hàng với các cực từ đối diện do các nam châm stato tạo ra. Lực đẩy/kéo từ tính này làm cho vòng lặp phần ứng quay (cực bắc của stato đẩy cực bắc của phần ứng, trong khi cực nam của stato hút nó), và vòng chuyển mạch cũng quay cùng với vòng lặp phần ứng mà nó được kết nối.

Khi vòng chuyển mạch chia đôi quay, chổi than tiếp xúc với các đoạn xen kẽ của vòng chuyển mạch, với động lượng cho phép chổi than trượt qua các khe hở trong vòng cho đến khi tiếp xúc với đoạn tiếp theo. Khi tiếp điểm chuyển từ đoạn này sang đoạn khác, điều này làm cho dòng điện chạy qua vòng lặp phần ứng đổi hướng, nghĩa là từ trường của nó đổi cực. Sự thay đổi cực này làm cho phần ứng quay trở lại so với các nam châm stato. Chừng nào mạch điện còn được kết nối, chu kỳ này sẽ lặp lại liên tục, gây ra chuyển động quay của động cơ.

Chỉ với một vòng lặp phần ứng, tốc độ quay sẽ không đều. Thậm chí phần ứng có thể bị kẹt tại chỗ, với chổi than tiếp xúc với các khe hở trong vòng chuyển mạch (thay vì với các đoạn chuyển mạch dẫn điện), làm đứt toàn bộ mạch điện thông qua vòng lặp phần ứng. Vì lý do này, động cơ chổi than thực sự thường có nhiều vòng lặp phần ứng, hay còn gọi là cuộn dây rôto, với mỗi vòng lặp được kết nối với một bộ đoạn chuyển mạch riêng. Theo cách này, mỗi vòng lặp phần ứng/cuộn dây rôto trở thành một mạch hoàn chỉnh, cách điện riêng biệt, và mỗi vòng lặp sẽ quay một vòng và trở thành một nam châm điện khi tiếp xúc với chổi than. Việc tăng số lượng vòng lặp phần ứng, hay cuộn dây rôto, sẽ làm tăng mô-men xoắn và do đó làm tăng tốc độ quay, giúp tốc độ quay mượt mà và liên tục.

Động cơ DC chổi than được điều khiển như thế nào?

Việc điều khiển tốc độ động cơ DC chổi than rất đơn giản và không yêu cầu hệ thống điện tử phức tạp. Điện áp đặt vào động cơ DC chổi than tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Nói cách khác, điện áp phần ứng càng cao thì tốc độ quay càng nhanh. Mối quan hệ này tuyến tính với tốc độ tối đa của động cơ DC chổi than. Bằng cách áp dụng điện áp cung cấp thay đổi, có thể điều khiển tốc độ. Việc thay đổi hướng quay có thể được thực hiện bằng cách đảo ngược kết nối từ trường hoặc phần ứng. Bộ điều khiển tốc độ điện tử đã được phát triển để mang lại hoạt động chính xác và chuẩn xác hơn.

Trong Động cơ DC chổi than, việc điều khiển mô-men xoắn cũng rất dễ thực hiện. Mô-men xoắn đầu ra tỷ lệ thuận với dòng điện đầu vào. Do đó, nếu dòng điện bị giới hạn, bạn cũng đã giới hạn mô-men xoắn mà động cơ chổi than có thể đạt được. May mắn thay, các thiết bị điện tử điều khiển tốc độ biến thiên hoặc mô-men xoắn biến thiên rất dễ thiết kế và sản xuất. Việc thay đổi tốc độ của Động cơ DC chổi than chỉ cần một biến trở phù hợp. Trên thực tế, các biến trở này đã được thay thế cho hầu hết các ứng dụng công suất dưới phân số bằng các bộ điều khiển SCR và PWM (đôi khi được gọi là bộ điều khiển), cung cấp điện áp và dòng điện điều khiển tương đối chính xác.

Phân loại động cơ DC có chổi than

Có năm loại động cơ DC chổi than cơ bản:

Các động cơ DC chổi than thường được phân loại dựa trên cách mắc cuộn dây kích từ (field winding) với phần ứng (armature). Có 5 loại cơ bản như sau:

1. Động cơ DC kích từ độc lập (Separately Excited DC Motor): 

• Cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn riêng, tách biệt với phần ứng.
• Điều khiển linh hoạt: dễ thay đổi điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ

2. Động cơ DC kích từ song song (Shunt-Wound DC Motor)

• Cuộn kích từ mắc song song với phần ứng.

• Đặc điểm: tốc độ gần như ổn định khi tải thay đổi, mô-men khởi động không lớn

3. Động cơ DC kích từ nối tiếp (Series-Wound DC Motor)

• Cuộn kích từ mắc nối tiếp với phần ứng.

• Đặc điểm: mô-men khởi động rất lớn, nhưng tốc độ thay đổi tự động theo tải, tăng lên khi tải giảm. Động cơ quấn nối tiếp này thường bị giới hạn khi cần công suất lớn.

4. Động cơ DC compound (Compound-Wound DC Motor)

• Kết hợp cả cuộn kích từ nối tiếp và cuộn kích từ song song.

• Có 2 loại:

  • Cumulative Compound: từ thông 2 cuộn hỗ trợ nhau → mô-men khởi động tốt và tốc độ ổn định.

  • Differential Compound: từ thông 2 cuộn ngược nhau → ít dùng vì đặc tính kém ổn định.

5. Động cơ DC kích từ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet DC Motor – PMDC)

• Thay cuộn kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

• Đặc điểm: gọn nhẹ, hiệu suất cao, dễ chế tạo, giá rẻ.

Ưu điểm và Nhược điểm của Động cơ DC chổi than

Động cơ DC chổi than là một trong những thiết kế động cơ điện đầu tiên. Nó thường là động cơ được lựa chọn cho hầu hết các ứng dụng điều khiển mô-men xoắn và tốc độ thay đổi.

Ưu điểm

• Động cơ DC chổi than có cấu tạo đơn giản, do đó có thể không cần bộ điều khiển. Khi lựa chọn bộ điều khiển, nó thường là một thiết kế truyền động đơn giản và không tốn kém.
• Công nghệ thiết kế dễ hiểu giúp việc sử dụng Động cơ DC chổi than nhanh chóng.

Nhược điểm

• Kém tin cậy hơn khi điều khiển ở tốc độ thấp.
• Kích thước vật lý lớn hơn các động cơ khác tạo ra mô-men xoắn tương đương.
• Bảo trì cao hơn so với động cơ DC không chổi than do chổi than bị mòn.
• Động cơ DC chổi than dễ bị bám bụi, làm giảm hiệu suất.

Ứng dụng động cơ DC chổi than

Nhờ tuổi thọ và độ tin cậy cao, Động cơ DC không chổi than đã thay thế động cơ DC chổi than trong nhiều ứng dụng, nhưng động cơ DC chổi than vẫn là lựa chọn phù hợp cho nhiều ứng dụng

Động cơ DC chổi than được ưa chuộng trong ngành công nghiệp ô tô nhờ tính đơn giản và giá cả phải chăng. Nhiều nhà sản xuất ô tô sử dụng chúng cho cửa sổ chỉnh điện, ghế ngồi, v.v.

Động cơ DC chổi than được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ đồ chơi đến máy bơm Jacuzzi. Chúng có nhiều kích cỡ, thông số mô-men xoắn và tốc độ khác nhau, vì vậy chúng là ứng cử viên cho hầu hết mọi nỗ lực điều khiển chuyển động. Bên cạnh các ứng dụng ô tô đã đề cập ở trên, động cơ DC chổi than cũng phổ biến trong các nhà máy cán thép, máy giấy, cần cẩu và động cơ điện.

Động cơ DC chổi than có sẵn ở một số điện áp tiêu chuẩn nhất định, tăng dần theo mã lực. Động cơ chổi than loại công nghiệp nhỏ nhất có công suất định mức khoảng 90VDC và 180VDC. Động cơ chổi than công nghiệp lớn hơn có thể đạt công suất định mức 250VDC hoặc cao hơn. Động cơ DC chổi than chuyên dụng dùng trong các ứng dụng di động thường có công suất định mức 12, 24 hoặc 48VDC. Các động cơ chổi than nhỏ khác có thể có công suất định mức thấp tới 5VDC. Loại động cơ DC chổi than này rất phổ biến trong giới đam mê.